ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к проводящим сегнетоэлектрикам связан с сосуществованием в этих веществах полупроводниковых и сегне­тоэлектрических свойств, благодаря чему в них наиболее существенно проявляются эффекты, связанные с электрон-фононным взаимодействием.

С макроскопической точки зрения влияние свободных носителей за­рядов на свойства сегнетоэлектриков сводится к экранированию спонтан­ной поляризации, связанному с ним приэлектродному распределению по­тенциала, особенностям статики и динамики доменных границ в прово­дящих кристаллах.

На микроскопическом уровне свободные электроны в сегнетоэлек­триках приводят к экранированию поля отдельных ионов и, как следствие, изменению упругих констант, решеточных частот и энергии всей системы. Теоретическая природа этого явления рассматривалась с разных аспектов: в феноменологической теории Ландау-Гинзбурга-Девоншира, динамиче­ской теории Гинзбурга - Андерсона - Кокрена (ГАК) и межзонной (виброн- ной) теории, основу которой составляют работы И.Б. Берсукера, Б.Г. Вех- тера, П.И. Консина и Н.Н. Кристофеля. В межзонной теории была теоре­тически показана принципиальная возможность возникновения сегнето­электрического фазового перехода, обусловленного межзонным электрон- фононным взаимодействием.

Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических ра­бот по исследованию сегнетоэлектриков-полупроводников, до сих пор нет законченной картины влияния свободных электронов на сегнетоэлектриче­ские свойства кристалла, что делает данную работу актуальной в теорети­ческом плане.

С другой стороны, в последнее время возрос интерес к неоднород­ным, в том числе проводящим сегнетоэлектрическим микро- и нано­структурам, которые становятся более перспективными для практических применений по сравнению с однородными материалами [1,2]. В этой свя­зи данные исследования являются актуальными и в практическом плане.

Целью данной работы является установление физических механиз­мов влияния свободных носителей заряда на диэлектрические свойства и температуру Кюри неоднородных сегнетоэлектрических структур.

В качестве объекта исследования выбраны: проводящие монокри­сталлы KNbO3, допированные Sm; гетероструктуры на основе пленок ВаТіОз (и-типа) и кремниевых подложек (р-типа); проводящие композиты (КН2Р04)і-х/(РЬо,950ео,о5Те)х (x = 0,2; 0,3; 0,4); композиты на основе пори­стых металлических матриц с внедренными сегнетоэлектриками KNO3, NaNO2 и TGS.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следую­щие задачи:

1. Исследовать температурные и частотные зависимости диэлектрической проницаемости проводящих монокристаллов KNbO3 с разными концен­трациями свободных носителей.

2. Исследовать вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики гетеро­структур на основе и-типа пленок ВаТЮ3 и р-типа кремниевых подло­жек.

3. Исследовать линейные и нелинейные диэлектрические свойства пленок BaTiO3 (70 и 100 нм), полученных методом импульсно-лазерного оса­ждения на кремниевой подложке.

4.

5. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследовать фазовые переходы для сегнетоэлектриков KNO3, NaNO2, TGS в порах (2-20 мкм) металлических матриц.

6. Сопоставить экспериментальные результаты с теоретическими оцен­ками и результатами других авторов.

Научная новизна

1. Впервые методом генерации третьей гармоники исследованы нелиней­ные диэлектрические свойства проводящих пленок BaTiO3 толщиной 70 нм на кремниевой подложке и определены температурные сдвиги фазо­вых переходов.

2. Изучено влияние Pb0,95Ge0,05Te на сегнетоэлектрические свойства ком­позитов (КН2P04)1-х/(Pbо,95Geо,о5Te)х (х= 0,2; 0,3; 0,4) и обнаружен до­полнительный механизм поляризации в сегнетоэлектрической фазе.

3. Применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии позволило впервые исследовать фазовые переходы для сегнетоэлектри­

ков в порах металлических матриц и обнаружить сдвиги Тс для KNO3 и NaNO2.

Методология и методы исследования

Для выполнения настоящего исследования был использован арсенал различных экспериментальных методов: линейной и нелинейной диэлек­трической спектроскопии, дифференциальной сканирующей калоримет­рии. Производился целенаправленный поиск и отбор исследуемых мате­риалов: проводящих сегнетоэлектрических монокристаллов, гетерострук­тур и композитов. Для контроля параметров и качества образцов исполь­зовались оптическая микроскопия, электронная растровая микроскопия и рентгеноструктурный анализ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экранирование поляризации свободными носителями заряда в KNbO3 приводит к тому, что диэлектрическая проницаемость при нагреве и охлаждении имеет различные значения. Зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости δε(T) = (ε'heat- ε'cooi)lε'heatв сегнетоэлектрической фазе повторяет температурный ход спонтанной поляризации Ps(T).

2. Для пленок ВаТіО3 (70 нм) на кремниевых подложках, изготовленных методом импульсно-лазерного осаждения, происходит значительное увеличение диэлектрической проницаемости по сравнению с монокри­сталлом. Наблюдается сдвиг температур фазовых переходов между ку­бической - тетрагональной и тетрагональной - ромбической фазами.

3. Увеличение доли проводящего компонента Pb0,95Ge0,05Te в сегнето­электрических композитах (КН2РО4)і-х/(РЬ0,95Оє0,05Тє)х (x = 0,2; 0,3; 0,4) приводит к росту диэлектрической проницаемости, размытию фазового перехода и появлению гистерезиса на температурном ходе ε'(T). На низких частотах в сегнетоэлектрической фазе появляется дополнитель­ный вклад в поляризацию, пропорциональный концентрации свобод­ных носителей заряда и величине спонтанной поляризации.

4. Экранирование поля малых сегнетоэлектрических частиц в порах ме­таллической матрицы (2-20 мкм) приводит к сдвигу фазовых перехо­дов для KNO3 и NaNO2. Влияние экранирования тем сильнее, чем больше спонтанная поляризация сегнетоэлектрика.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выво­дов определяется комплексным использованием современных экспери­ментальных методов, включая диэлектрическую спектроскопию, нели­нейную диэлектрическую спектроскопию, метод дифференциальной ска­нирующей калориметрии и воспроизводимостью результатов. Получен­ные результаты соответствуют существующим теоретическим представ­лениям.

Практическая значимость. Проведенные исследования влияния проводимости на диэлектрические свойства неоднородных сегнетоэлек­трических структур дополняют сведения о физических явлениях, проис­ходящих в сегнетоэлектриках-полупроводниках вообще и в неоднородных сегнетоэлектрических структурах, в частности.

Исследования в данном направлении стимулируются возможностью широкого практического применения таких материалов в нано- и микро­электронике. Использование сегнетоэлектриков в многослойных структу­рах, например, в контакте с полупроводниками, значительно расширяет их функциональные возможности, так как параметры таких структур могут перестраиваться под воздействием на них электрического поля.

Значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в том, что они уточняют и расширяют представления о влиянии свободных но­сителей заряда на свойства сегнетоэлектрических материалов, что являет­ся важным как в общефизическом плане, так и в плане конкретных при­ложений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII Китайско-Российском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Китай, г. Канминг, 2013); XIII Международной конференции «Физика диэлектриков» (г. С.- Петербург, 2014); Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектри­ков «ВКС-XX» (г. Красноярск, 2014); Всероссийской молодежной науч­ной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследова­ния, образование» (г. Благовещенск, 2012, 2014); IV научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и эко­номические аспекты микро-, наноэлектроники» (г. Пенза, 2013); XII реги­ональной научной конференции «Физика: фундаментальные и приклад­ные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2013, 2016).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей в веду­щих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 9 - в сбор­никах материалов международных, всероссийских и региональных конфе­ренций.

Личный вклад автора: основные результаты получены автором, либо при его непосредственном участии. Автором были подготовлены к публикации статьи и тезисы докладов на конференциях. В исследованиях, проведенных в соавторстве, автор принимал активное участие в планиро­вании экспериментов и обсуждении результатов.

Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с планом НИР фундаментальных научных исследований № 432, выполняемой в

рамках базовой части государственного задания Министерства образова­ния и науки РФ в сфере научной деятельности № 424/2016.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, включает 2 таблицы, 45 рисунков и библиографию из 239 наименования. Общий объём 118 страниц текста.