Сегнетоэлектрики - это удивительное семейство материалов, обладающих уникальными свойствами, включая спонтанную поляризацию, которая проявляется в определенных температурных условиях (смотрите - Диэлектрики в электрическом поле).
Сегнетоэлектрические пленки - это тонкие слои сегнетоэлектрических материалов, которые обладают сегнетоэлектрическими свойствами, но в виде плоских пленок или покрытий.
Эти пленки могут быть созданы из различных сегнетоэлектрических материалов, включая сегнетоэлектрические керамики и тонкие пленки, состоящие из таких материалов, как перовскиты, бариевые титанаты, оксид гафния и другие.
Гибкое запоминающее устройство из оксидного сегнетоэлектрика
Спонтанная полярзация
Главной характеристикой сегнетоэлектриков является их способность к изменению поляризации (ориентации внутренних электрических зарядов) под воздействием внешних электрических полей.
Когда электрическое поле приложено к сегнетоэлектрику, его внутренние дипольные моменты могут переориентироваться, создавая вещество с намагниченностью. Когда поле исчезает, эти дипольные моменты возвращаются к своей исходной ориентации.
Этот процесс называется "сегнетоэлектрической поляризацией" и проявляется в виде спонтанной электрической поляризации внутри материала.
Эти материалы стали объектом активных исследований в свете растущей необходимости в миниатюризации, интеграции и создании многофункциональных электронных устройств.
Потенциал сегнетоэлектрических пленок
Сегодня особое внимание уделяется практическому использованию сегнетоэлектрических структур в датчиках и микроэлектромеханических системах, нацеленных на различные приложения.
Особый интерес вызывают наноструктурированные сегнетоэлектрические пленки из-за своих крошечных размеров, которые могут составлять всего несколько до десятков нанометров. Эти размеры придают материалам новые свойства и характеристики, делая их особенно ценными.
Особенности и применения сегнетоэлектриков
Например, диэлектрические свойства материалов, таких как SrTiO3 и Pb (Mg/3Nb2/3), значительно улучшаются при использовании их в форме пленок по сравнению с сыпучими материалами. Кроме того, коэрцитивные силы полей также увеличиваются в случае пленочных структур.
Одним из важнейших параметров для сегнетоэлектриков является поляризация. Доменная структура сегнетоэлектрического материала обычно включает в себя разнообразные домены с определенными векторами поляризации. Это позволяет использовать поле поляризации для изучения и контроля структуры доменов.
Устойчивое поляризационное состояние позволяет сегнетоэлектрическим пленкам служить в качестве пьезоэлектрических преобразователей.
Однако для достижения оптимальных режимов поляризации необходимо правильно сочетать температуру, воздействие внешнего электрического поля и время, что представляет собой сложную задачу.
МДП: Металл - Диэлектрик - Полупроводник
Сегнетоэлектрические материалы представляют собой захватывающую область, где физические свойства становятся источником инноваций и новых технологических решений. Они обладают выдающимися характеристиками, такими как высокая диэлектрическая проницаемость и возможность изменения этих свойств при воздействии внешнего электрического поля.
Эта особенность открывает двери для создания совершенно нового класса устройств, объединяющих в себе металл, диэлектрик и полупроводник в одной структуре, которую называют МДП - металл - диэлектрик - полупроводник.
Активным элементом в таких устройствах выступает тонкая сегнетоэлектрическая пленка, обладающая уникальными свойствами, которые находят широкое применение в сфере хранения и обработки информации.
Эти пленки могут быть использованы для создания энергонезависимой памяти, динамической памяти с произвольной выборкой, конденсаторов, оптических процессоров и многих других устройств.
Ультратонкая оксидная сегнетоэлектрическая пленка на гибкой полимерной подложке
Сегнетоэлектрические материалы способны накапливать заряд, что делает их идеальными для устройств энергонезависимой памяти
Относительно недавно ученые научились создавать очень тонкие сегнетоэлектрические пленки при низких температурах и интегрировать их с органическими полупроводниками на основе углерода для создания очень гибких устройств памяти.
Исследователи работали с оксидом гафния, или гафнией, материалом, который обладает сегнетоэлектрическими свойствами при нанесении в виде тонкой пленки.
Такой гибкий сегнетоэлектрик можно использовать для создания стабильных запоминающих устройств для использования в энергоэффективных электронных приложениях для использования во всем, от освоения космоса до оборонных приложений.
Методы получения и применение
Физические свойства сегнетоэлектрических пленок зависят от множества факторов, включая состояние их поверхности, стехиометрию, кристаллическую структуру, плотность, микроструктуру и кристаллографическую ориентацию. Однако важно отметить, что методы получения этих пленок играют ключевую роль в определении их свойств.
На сегодняшний день существует две основные категории методов получения тонких сегнетоэлектрических пленок: химические и физические.
К химическим методам относятся метод осаждения из газовой фазы и золь-гель метод.
Физические методы включают в себя распыление определенной смеси оксидов, используя мишени, и другие передовые технологии, такие как термовакуумное напыление, магнетронное распыление, ионно-лучевые методы и лазерное распыление.
Перспективы исследований
Использование полевых транзисторов, созданных на основе структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник (МСЭП), представляет собой перспективное направление. Однако одной из основных сложностей в разработке таких устройств является деполяризация тонких слоев сегнетоэлектрика, что требует поиска путей её уменьшения.
Моделирование структур МДП с использованием сегнетоэлектрических пленок позволяет прогнозировать и оптимизировать их характеристики, что делает эту область исследований весьма перспективной.
Современные исследования активно используют перовскитные полупроводники, которые технологически совместимы с сегнетоэлектрическими материалами.
Эти полупроводники позволяют модулировать проводимость канала без образования инверсионного слоя в полупроводнике, что открывает новые горизонты для создания инновационных устройств на основе МДП-транзисторов.
Исследования и разработки в области сегнетоэлектрических пленок продолжаются, и их потенциал для новых инноваций в электронике и других областях технологии все еще не полностью раскрыт.
Смотрите также: Диэлектрики с особыми свойствами - сегнетоэлектрики и электреты
Андрей Повный