На кремнии получили вихревой узор в материале без свинца

Подробно

Что именно обнаружили исследователи?

Команда Prof. Dr. Catherine Dubourdieu из HZB и Свободного университета Берлина вырастила сверхрешётку - стопку из чередующихся сверхтонких слоёв двух оксидов: титаната бария (BaTiO3) и титаната стронция (SrTiO3). Структура лежит на кремниевой пластине Si(001) с буферным слоем SrTiO3 толщиной 4 нм. Основной образец состоит из десяти повторов: 4,8 нм BaTiO3 и 2,0 нм SrTiO3, то есть по 12 элементарных ячеек BaTiO3 и 5 ячеек SrTiO3 в каждом периоде.

Вихри возникают в слоях сегнетоэлектрика BaTiO3 - материала с собственной электрической поляризацией. Соседние вихри вращаются в противоположных направлениях: по часовой стрелке и против неё. Они вытянуты в «трубки» вдоль направлений семейства <110> кристалла и в плоскости образуют два взаимно перпендикулярных набора полос.

Период порядка по синхротронной рентгеновской дифракции составляет около 6,5 нм. По электронно-микроскопическим снимкам среднее значение около 6,9 нм, а в разных местах образца оно колеблется от 6,4 до 7,5 нм. Размер отдельного вихря оценён примерно в 3,5 нм.

Авторы проверили и варианты со слоями SrTiO3 толщиной около 2,8 и 4,0 нм. Периоды рисунка там составили 6,7 ± 0,1 и 6,5 ± 0,1 нм. В изученном диапазоне толщин существенного изменения плотности вихрей не нашли.

«Это первая реализация периодически упорядоченных вихрей в сверхрешётках BaTiO3 на кремнии. Именно кремний играет ключевую роль, обеспечивая необходимую деформацию для возникновения вихревого рисунка», - сказал первый автор работы, докторант HZB Valentin Väinö Hevelke.

Почему кремний и отсутствие свинца важны?

Первые упорядоченные массивы полярных вихрей и антивихрей были описаны в Nature 27 января 2016 года в сверхрешётках PbTiO3/SrTiO3. Они содержали свинец и росли на оксидной подложке DyScO3. Новая структура бессвинцовая и выращена прямо на кремнии - основном материале микроэлектроники. Поэтому авторы видят шанс со временем встроить сложные сегнетоэлектрические состояния в кремниевые технологии.

«Наши результаты расширяют набор материалов и подложек, в которых могут существовать полярные топологические текстуры, и открывают новые возможности для включения сложных ферроэлектрических состояний в кремниевые технологии», - заявила Catherine Dubourdieu, руководитель команды и института Functional Oxides for Energy-Efficient Information Technology в HZB.

Формулировку «впервые» нужно читать узко. Речь о периодических вихрях в сверхрешётках BaTiO3 на кремнии. Это не первые бессвинцовые полярные структуры вообще. Та же группа 20 ноября 2024 года сообщила в Nature Communications об отдельных наноостровках BaTiO3 размером 30-60 нм на кремнии. В них были спиральные полярные домены, переключаемые электрическим полем. Периодических вихревых трубок в сверхрешётке там не было.

Как вихри получили и проверили?

Сверхрешётку выращивали методом молекулярно-лучевой эпитаксии - послойным осаждением вещества в вакууме. Температура роста составляла 650 °C, парциальное давление кислорода 5,0 × 10⁻⁷ Торр.

Локальную поляризацию определяли электронной микроскопией атомного разрешения (HAADF-STEM), измеряя смещение ионов титана относительно центра, образованного атомами бария или стронция. Эту часть выполняли с участием группы Prof. Christoph T. Koch из Гумбольдтовского университета Берлина. Дальний порядок проверяли синхротронной рентгеновской дифракцией на линии P08 источника PETRA III в DESY (Гамбург). Структурный переход изучали рамановской спектроскопией и дифракцией при разных температурах.

Моделирование группы Prof. Long-Qing Chen из Pennsylvania State University воспроизвело наблюдаемый рисунок. Лучшее согласие с экспериментом получено при эффективном параметре подложки 3,99 Å. Расчёт показал, что форма доменов сильно зависит от деформации, а слои влияют друг на друга и упруго, и электростатически.

Интерпретация авторов такая. Растяжение SrTiO3 создаёт в нём поляризацию в плоскости вдоль <110>. Через электростатическую связь она ориентирует вихревые трубки в BaTiO3 в тех же направлениях. Ключевой считается деформация, которую создаёт кремний при температуре роста 650 °C и которая сохраняется после охлаждения.

Исходные данные и результаты расчётов опубликованы в хранилище Zenodo. Long-Qing Chen заявил финансовую заинтересованность в компании MuPRO LLC, лицензирующей использованное для расчётов программное обеспечение. Остальные авторы конкурирующих интересов не заявили.

Что выдерживает структура при нагреве?

При нагреве от 300 до 453 K (около 180 °C) интенсивность рентгеновских пиков, отвечающих периодическому рисунку, постепенно падала и почти исчезла. Период при этом сократился с 6,5 нм при 300 K до 5,5 нм при 433 K. Переход из сегнетоэлектрической тетрагональной фазы в параэлектрическую кубическую авторы оценили в 440-450 K: рамановский признак тетрагональности пропал при 440 K, а излом зависимости параметра решётки отмечен при 449 K (176 °C).

После охлаждения до комнатной температуры пики вернулись к прежним положениям и интенсивности. Промежуточных измерений при охлаждении не делали, поэтому неизвестно, есть ли у восстановления вихрей температурный гистерезис.

Можно ли уже делать на этом память или транзисторы?

Нет, в работе нет ни памяти, ни транзистора, ни другого функционального компонента. Заявления о будущих применениях - перспектива, а не результат испытаний.

Авторы назвали несколько ограничений:

• из-за больших токов утечки в BaTiO3 не удалось провести макроскопические электрические измерения;
• диаметр наконечника при пьезосиловой микроскопии около 20 нм, поэтому отдельные вихри размером 3,5 нм она не разрешила, а её сигнал мог включать электростатические, инжекционные, ионные и электрохимические вклады;
• поэтому работа не доказывает, что вихри можно раскручивать или переключать электрическим полем;
• дислокации, обычные для оксидов на кремнии из-за разного теплового расширения, местами нарушают порядок полос, и их влияние на период вихрей оценить не удалось.

Дальше авторы предлагают снизить утечки, проверить влияние литографии и травления, изучить вихри при высоких и низких температурах, выяснить возможность электрического переключения и перемещения вихрей и искать условия для полярных скирмионов.