Доменные стенки в сегнетоэлектриках обладают уникальными функциональными свойствами, существенно отличающимися от объемных свойств материала. Например, они имеют на несколько порядков более высокую электрическую проводимость и могут быть созданы или изменены в материале с помощью внешнего электрического поля. Электрические характеристики доменных стенок определяются их топологией, зависят от свойств сегнетоэлектрика и материалов электродов, используемых для переключения поляризации. Уникальной особенностью доменных стенок является возможность непрерывного изменения проводимости за счет управления наклоном доменной стенки, что позволяет создавать устройства с плавно изменяющимся сопротивлением. Проводимость доменных стенок активно изучается более пятнадцати лет в связи с потенциальными мем».
В настоящее время фундаментальные исследования переходят в стадию разработки устройств на основе доменных стенок. Например, концепция сегнетоэлектрической памяти была продемонстрирована в тонких плёнках феррита висмута и монокристаллах ниобата лития. Однако до сих пор нет полного понимания механизмов движения заряженных доменных стенок. Большинство теоретических моделей либо сосредотачиваются на латеральном движении нейтральных доменных стенок, либо не учитывают процессы экранирования, которые являются ключевыми для стабилизации термодинамически неравновесных заряженных доменных стенок. Кроме того, движение заряженных доменных стенок не рассматривается как самосогласованная задача, хотя очевидно, что проводящую доменную границу можно рассматривать в некотором приближении как подвижный электрод внутри кристалла, что приводит к изменению пространственного распределения электрического поля.
Таким образом, этот проект направлен на исследование влияния проводимости доменных стенок на переключение поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках с использованием локальных методов, а также на создание методов контроля и стабилизации заряженных доменных стенок в сегнетоэлектрических материалах. Кроме того, относительно неизученной задачей является анализ локальных петель гистерезиса и данных временной спектроскопии. Параметры переключения поляризации, полученные с помощью этих методов, трудно связать с характеристиками материала и параметрами движения доменных стенок, такими как подвижность стенок, поле активации и поле смещения. Тем не менее знание этих параметров необходимо для анализа поверхностных явлений в сегнетоэлектриках, в том числе в неоднородных системах и в двумерных сегнетоэлектриках. Поэтому разработка методологии количественного анализа данных о локальном переключении поляризации и локальных петлях гистерезиса позволит существенно расширить представления о процессах переключения поляризации в низкоразмерных системах.
Ожидаемые результаты:
В ходе работы над проектом планируется получить следующие научные результаты:
1.Экспериментальный подход для регистрации электромеханических сигналов при локальном переключении поляризации под воздействием импульсов напряжения произвольной формы.
2.Оригинальная экспериментальная методика переключения поляризации в постоянном поле c одновременным измерением параметров диффузии заряда.
3.Экспериментальные зависимости пьезоэлектрического коэффициента, ёмкости и параметров диффузии заряда в процессе переключения поляризации при различных условиях переключения.
4.Описание процессов переноса заряда от зонда АСМ в объём сегнетоэлектрика.
5.Модель диффузии заряда с зонда АСМ в сегнетоэлектрик в процессе роста сегнетоэлектрического домена и физическая модель, описывающая кинетику доменных стенок с учётом их проводимости.
6.Численная модель, позволяющая рассчитать параметры движения доменных стенок для данных переключения поляризации в постоянном и растущем поле.
7.Заключение о взаимосвязи локальных петель гистерезиса с параметрами переключения поляризации.
Ожидаемые результаты проекта откроют возможности применения структур, содержащих проводящие нанодомены, для создания и усовершенствования энергонезависимых устройств памяти с произвольным доступом, сенсоров, работающих на поверхностных акустических волнах, а также для миниатюризации различных функциональных приборов микро- и наноэлектроники.
Предлагаемый методологический подход, основанный на комбинировании экспериментальных методов сканирующей зондовой микроскопии с нанометровым разрешением, современной теории электрофизических свойств доменной структуры, в сочетании с аналитической теорией локального пьезоэлектрического отклика, обладает мировой новизной. Такой комплексный подход открывает уникальные возможности самосогласованного анализа экспериментальных и теоретических данных и обеспечивает высокую достоверность полученных результатов.
Работы по проекту будут выполнены на самом высоком научном уровне, что гарантируется высоким уровнем квалификации исполнителей и использованием качественного современного оборудования УЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ. Результаты исследований могут быть использованы для улучшения характеристик электродных материалов, а также оптимизации конструкции устройств накопителей энергии.