Анотація до роботи:

Зауличний В.Я. Дослідження розмірних ефектів в сегнетоелектричних тонких плівках з урахуванням впливу електродів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2007.

За допомогою феноменологічної теорії Гінзбурга – Ландау проведено систематичне дослідження впливу електродів на розмірні ефекти та властивості сегнетоелектричної тонкої плівки.

Запропоновано узагальнену модель сегнетоелектричного конденсатора на базі нанорозмірної сегнетоелектричної плівки та з двома електродами, один з яких напилений на підкладинку. Проаналізовано особливості поведінки електричного поля в різних електродах, а саме в металевих та напівпровідних. Обчислено вклад електродів у вільну енергію системи електрод/плівка/електрод, що дозволяє подальший пошук рівняння Ейлера – Лагранжа та його розв’язання методом прямої варіації. Знайдено поведінку поля деполяризації всередині сегнетоелектричної плівки та обговорено її особливості. Зокрема вказано на існування біля поверхні плівки точок, в яких це поле обертається в нуль, а, проходячи через них, міняє знак. Розраховано аналітичні залежності основних властивостей сегнетоелектричної плівки від характеристик електродів, температури та матеріалу плівки. Встановлено існування критичних значень характеристик електроду, вище яких неможливе існування сегнетоелектричної фази. Побудовано фазові діаграми, що описують фазовий перехід, індукований електродами. Також представлено аналітичні залежності основних характеристик фазового переходу від основних параметрів електродів та плівки.

З метою перевірки розрахунків, проведено порівняння експериментальних данних для тонких плівок PZT та набору металевих електродів, яке встановило хороше співпадіння теоретичних результатів з експериментом. Найкраще співпадіння мало місце для випадку оксидних електродів SrRuO₃. Проведено аналіз порівняння та зроблено висновки про можливі причини розходжень.

Вказано метод точного розв’язку рівняння Ейлера – Лагранжа з урахуванням як електродів так і поля деполяризації. Розв’язок можливо виразити аналітично в рамках теорії еліптичних функцій Вієрштрасу та шляхом розв’язання трансцендентного рівняння, що зв’язує між собою поляризацію, поле деполяризації та зовнішнє електричне поле.

Підбиваючи підсумки проведених досліджень формулюються наступні висновки:

1. Вперше розглянуто вклад металевих та напівпровідних електродів у функціонал вільної енергії сегнетоелектричної плівки. Для цього знайдено розподіл електричного поля в системі електрод/плівка/електрод з урахуванням ефекту екранування зарядів, згину зон провідності та валентності, шляхом розв’язку відповідних рівнянь Пуассона.

2. Вперше знайдено розв’язок рівняння Пуассона для випадку тонкої сегнетоелектричної плівки в наближенні сильного відхилення просторового заряду. Показано, що розв’язок знайдений раніше Батрою і Сільверманом являється частковим випадком розв’язку, отриманого в дисертації у більш загальному розгляді.

3. Розв’язок рівняння Ейлера – Лагранжа для поляризації плівки було отримано прямим варіаційним методом, що привело до отримання виразу для вільної енергії у звичайному вигляді характерному для об’ємних сегнетоелектриків проте з перенормованими коефіцієнтами при степенях параметру порядку – поляризації Р. Показано, що ці коефіцієнти залежать від товщини плівки, температури та характеристик електродів, таких як, довжина екранування носіїв заряду, згину зон та діелектричної константи електроду.

4. Отриманий вираз для вільної енергії дозволив вперше представити аналітичну формулу для поляризації, діелектричної проникності, піроелектричного коефіцієнта та поля деполяризації з урахуванням впливу електродів.

• Зокрема показано, що поляризація практично лінійно залежить від величини довжини екранування і зменшується з її зростанням;

• Діелектрична проникність обернено залежить від довжини екранування і з ростом її положення розриву зміщується, вказуючи на зсув точки Кюрі

• Квадрат піроелектричного коефіцієнта також обернено залежить від довжини екранування і зростає з її збільшенням, що пов’язано із наближенням до фазового переходу;

• Показано, що поле деполяризації в загальному випадку має складний профіль вздовж глибини плівки, причому в середині плівки утворює деяке плато, а в приповерхневому шарі міняє знак на протилежний, таким чином підсилюючи поляризацію на поверхні, тоді як в глибині плівки воно направлено проти поляризації. Збільшення довжини екранування призводить до зростання поля деполяризації, як в області плато, так і в приповерхневому шарі.

• Також показано, що зростання діелектричної константи електроду суттєво покращує сегнетоелектричні властивості плівки.

5. Вперше встановлено можливість існування фазового переходу сегнето-, параелектрик індукованого електродами. Розраховано фазову діаграму та введено критичну довжину екранування, що вказує на неможливість існування сегнетоелектричної фази для плівки при значенні довжин екранування її електродів вище критичної.

6. Вперше запропоновано шлях точного розв’язання рівняння Ейлера – Лагранжа в рамках теорії еліптичних функцій Вієрштрасу.

7. Проведено порівняння теорії з експериментом, в ході якого було показано, що вищезазначена теорія добре описує експериментальні дані для плівок PbZr_0.35Ti_0.65O3 з металевими електродами. Так для випадку плівок PZT на стандартній кремнієвій підкладці з одним спільним нижнім іридієвим електродом найкраще результати співпали для випадку верхнього електроду з SrRuO₃.

8. Проведене дослідження встановило, що оптимальним вибором для сегнетоелектричних плівок із структурою перовскітну являються електроди, виготовлені із SrRuO₃, цей матеріал може бути рекомендований для застосування в якості електроду в системах зберігання данних FeRAM та інших пристроях, де важливо зберегти стабільну сегнетоелектричну фазу.

Публікації автора:

1. Глинчук М.Д., Зауличный В.Я., Стефанович В.А. Поле деполяризации и свойства тонких сегнетоэлектрических пленок с учетом влияния электродов. // Физика твердого тела. - 2005. - Т. 47, №7. - С. 1285-1292.

2. Glinchuk M. D., Zaulychny B. Y., Stephanovich V. A. Influence of semiconducting electrodes on properties of thin ferroelectric films // Phys. Stat. Sol. (b). - 2006. - V. 243, №2. - P. 542–554.

3. Glinchuk M. D., Zaulychny B.Y., Stephanovich V. A. Depolarization Field in Thin Ferroelectric Films With Account of Semiconductor Electrodes // Ferroelectrics. - 2005. - V. 316. - P. 1–6.

4. Stephanovich V. A., Glinchuk M. D., Zaulychny B. Y. Exact and Variational Treatment of Ferroelectric Thin Films with Different Materials of Electrodes // Ferroelectrics. -2005. - V. 317. - P. 101–107.

5. Glinchuk M. D., Zaulychny B. Y., Stephanovich V. A. Properties of thin ferroelectric film allowing for electrodes // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. -V. 4, № 2. - P. 395-406.