Page name: ARRSProjekti / 2020 / Načrtovanje napetosti in domenskih struktur v epitaksialnih tankih plasteh relaksorskih feroelektrikov149

Načrtovanje napetosti in domenskih struktur v epitaksialnih tankih plasteh relaksorskih feroelektrikov

Nazaj na seznam za leto 2020


Oznaka in naziv projekta

N2-0149 Načrtovanje napetosti in domenskih struktur v epitaksialnih tankih plasteh relaksorskih feroelektrikov
N2-0149 Strain and domain structure engineering in epitaxial relaxor ferroelectric thin films

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Institut "Jožef Stefan": Vodja projekta: doc. dr. Matjaž Spreitzer

dr. Urška Gabor, prof. dr. Gertjan Koster, doc. dr. Srečo Škapin, doc. dr. Nina Daneu, David Fabijan

Paul Scherrer Institute, Švica: Vodja projekta: prof. dr. Thomas Lippert

Vsebinski opis projekta

Vsebinski opis projekta

Razumevanje narave domenskih struktur na nano-skali in njihovega razvoja pod vplivom zunanjih sil je ključnega pomena za praktično uporabnost relaksorskih feroelektrikov. V projektu bomo raziskali in razjasnili prispevek domenskih struktur in napetosti, zaradi različnih velikosti osnovne celice substrata in plasti, k piezoelektrični in feroelektrični učinkovitosti prototipske relaksorske feroelektrične tanke plasti Pb(Mg1/3Nb2/3) O3-x% PbTiO3 (PMN-xPT). S tem bomo prispevali k razvoju visoko zmogljivih nano-materialov za mikro-elektro-mehanske-sisteme (MEMS) in naprave za shranjevanje energije. Ideja je, da za stabilizacijo monoklinske strukture s kemijsko sestavo na morfotropni fazni meji (MPB) in kompleksnim domenskim stanjem uporabimo dvoosno napetost in termično napetost v ravnini substrata. V volumskem PMN-xPT je znano, da tako domensko stanje spremljata izrazit dielektričen in piezoelektričen odziv. Defekti v strukturi, ki nastanejo med procesom rasti, so prav tako pomemben parameter, ki ga je potrebno upoštevati / optimizirati in kombinirati z napetostjo v tankih plasteh, saj majhna sprememba feroelektrične strukture lahko vodi do ogromnih sprememb v funkcionalnih lastnostih. Nadzor nad epitaksialno napetostjo na atomskem nivoju in poglobljeno razumevanje njenega vpliva na strukturo zahtevata visoko-kakovostne vzorce brez piroklornih faz, priprava katerih je velik izziv.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.

Faze projekta in opis njihove realizacije

1. Faza

Najprej se bomo lotili priprave tankih plasti PMN-xPT z različnimi stopnjami napetosti za sestave v okolici MPB za kar bomo uporabili pulzno lasersko nanašanje (PLD). Z rastjo na podlagah z definirano površino bomo tako pripravili plasti z visoko definirano kristaliničnostjo. Metoda PLD omogoča nadzor nad napetostjo, medfaznimi plastmi in razporeditvijo domen znotraj materiala s spreminjanjem parametrov rasti, substrata, debeline plasti in elektrode. Epitaksialne, visoko-kakovostne plasti imajo običajno nizke izgube toka (Ileak), kar omogoča predvsem povečanje prebojne trdnosti dielektrika (DBS) in posledično izboljšanje obnovljive energijske gostote (Ureca). S spreminjanjem napetosti in strukturnih heterogenosti na nano-nivoju tankih plasti PMN-xPT dopiranih z elementi redkih zemelj bomo izboljšali piezoelektrični odziv. Motivacija za to je nedavno odkritje presenetljivo visokega piezoelektričnega koeficienta (do ~ 4000 pC / N) na volumskem kristalu PMN-PT dopiranim s Sm.

2. Faza

Drug pomemben vidik, ki ga bomo obravnavali v predlaganem projektu, je raziskava učinka medfaznih plasti v epitaksialnih multiplasteh ali super-strukturah sestavljenih iz izmeničnih tankih plasti PMN-xPT različnih sestav, kar omogoča uravnavanje fizikalnih lastnosti s spreminjanjem števila vmesnih plasti, debeline plasti in kemično modulacijo. Na podlagi nedavnega, lastnega napredka pri nadzoru rasti oksidov na Si podlagi z uporabo PLD bomo raziskali tudi integracijo PMN-PT na Si. Za razlago povezav med strukturnimi in funkcionalnimi lastnosti bomo vzorce analizirali z različnimi naprednimi tehnikami karakterizacije, z združitvijo metod občutljivih na napetosti v strukturi, defekte, elektronska stanja, kemijskega urejanja in sestave s tehnikami lokalno-električnega- in napetostnega-mapiranja.

3. Faza

Dobljene rezultate bomo razložili in povezali z meritvami makroskopske dielektričnosti, energetske gostote in piezoelektričnih lastnosti. Posebno pozornost bomo namenili spremljanju napetosti v realnem času med rastjo tankih plasti PMN-xPT z in-situ merjenjem ukrivljenosti substrata, kar nam bo pomagalo pri razumevanju njegovega vpliva na mikro- in makro-skopske lastnosti materiala. Pričakovani rezultati bi pomenili preboj v proizvodnji naprav za shranjevanje energije in MEMS, ki presegajo zmogljivosti najsodobnejše tehnologije.

Bibliografske reference

Urška Gabor, Damjan Vengust, Zoran Samardžija, Aleksander Matavž, Vid Bobnar, Danilo Suvorov, Matjaž Spreitzer, "Stabilization of the perovskite phase in PMN-PT epitaxial thin films via increased interface roughness", Applied Surface Science, 2020, vol. 513, str. 145787-1-145787-8, DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.145787.

Binbin Chen, Nicolas Gauquelin, Pim Reith, Ufuk Halisdemir, Daen Jannis, Matjaž Spreitzer, Mark Huijben, Stefan Abel, Jean Fompeyrine, Johan Verbeeck, Hans Hilgenkamp, Guus Rijnders, Gertjan Koster, "Thermal-strain-engineered ferromagnetism of LaMnO[sub]3/SrTiO[sub]3 heterostructures grown on silicon", Physical review materials, 2020, vol. 4, no. 2, str. 024406-1-024406-6, DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.024406.

Matjaž Spreitzer, Dejan Klement, Ricardo Juan Egoavil Escobar, Jo Verbeeck, Janez Kovač, Anže Založnik, Gertjan Koster, Gustaaf Van Tendeloo, Danilo Suvorov, Guus Rijnders, "Growth mechanism of epitaxial SrTiO3 on a (1x2) + (2x1) reconstructed Sr(1/2 ML)/Si(001) surface", Journal of materials chemistry. C, Materials for optical and electronic devices, 2020, vol. 8, str. 518-527, DOI: 10.1039/C9TC04092G.


Nazaj na seznam projektov po letih