Химическое переключение поляризации в сегнетоэлектрике

Так, в прошлом году эксперименты выявили, что сегнетоэлектрические поверхности с противоположной полярностью по-разному адсорбируют молекулы [1], а уже в новом году ученым из университетов Иллинойса и Пенсильвании удалось наблюдать обратный эффект – химическое окружение управляет ориентацией электрической поляризации пленки сегнетоэлектрика подобно электрическому напряжению [2].

Эксперименты производили в атмосфере кислорода при температуре 600–1000 К с пленками титаната свинца PbTiO₃, выращенными на подложке SrTiO₃. Прослойка из проводящего SrRuO₃₃ выполняла роль металлического контакта, в котором происходит электронная компенсация связанных зарядов на нижней поверхности сегнетоэлектрической пленки, в то время как верхняя граница ее свободна и подвержена действию кислорода (рис. 1а). Для измерения электрической поляризации пленки применяли рентгенографический метод (synchrotron x-ray scattering), который позволяет очень точно определять положение атомов и их смещение в поляризованном состоянии, и в то же время не чувствителен к поверхностным зарядам.

В результате наблюдали характерные петли сегнетоэлектрического гистерезиса (рис. 1 б), только вместо электрического поля по горизонтальной оси откладывалась величина давления кислорода. Как значения поляризации насыщения, так и ширина петли уменьшалась с температурой, и при температуре выше точки Кюри (920 К) сегнетоэлектрический гистерезис исчезал, доказывая тем самым, что данное явление обусловлено именно переключением поляризации, а не изменением химического состава вещества, поскольку в последнем случае должен был бы наблюдаться рост эффекта с температурой.

Рис. 1. а – Исследуемые образцы; б – петля сегнетоэлектрического гистерезиса при изменении давления кислорода [2]

Чем же обусловлен данный эффект? Дело в ионной компенсации связанных зарядов на поверхности материала. Например, на поверхности тех областей пленки, где поляризация направлена вверх (положительный поверхностный связанный заряд) могут оседать отрицательно заряженные ионы кислорода O^2-, или, наоборот, с поверхности доменов с противоположной ориентацией поляризации эти ионы могут отрываться. Каждый из этих механизмов способен обеспечить нейтрализацию доменов одной полярности, действуя как эффективное электрическое поле.

Результаты данных исследований, с одной стороны, указывают на важность учета химических свойств атмосферы, в которой находится сегнетоэлектрик, а с другой – открывают перспективы практического использования химических процессов как нового метода создания доменных структур в сегнетоэлектрических пленках, включая нанесение узоров сквозь маску, изготовленную литографическим образом.

А. Пятаков

• 1. D.Li et al., Nature Mater., 7, 473 (2008)
• 2. R.V.Wang et al., Phys. Rev. Lett., 102, 047601(2009)