mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-2-28-34mireabulletin-481Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSЛокальные пьезоэлектрические свойства перфорированных сегнетоэлектрических пленок титаната бария-стронцияLocal piezoelectric properties of perforated ferroelectric barium–strontium titanate filmshttps://orcid.org/0000-0002-7068-4028ШерстюкН. Э.SherstyukN. E.

Шерстюк Наталия Эдуардовна, к.ф.-м.н., доцент кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 6602267129

ResearcherID A-3460-2014

Natalia E. Sherstyuk, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 6602267129

ResearcherID A-3460-2014 

nesherstuk@mail.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022020420221022834Copyright © Шерстюк Н.Э., 20222022Шерстюк Н.Э.Sherstyuk N.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/481

Цели. Методика травления фокусированным ионным пучком остается одной из наиболее востребованных для изготовления двумерных фотонных кристаллов и структур на основе функциональных материалов. Данная методика достаточно хорошо отработана для полупроводников. Но в то же время изменение свойств сегнетоэлектрических материалов под действием фокусированного ионного пучка, в т.ч. параметров распределения и переключения поляризационного состояния под действием электрического поля, остается слабоизученным. Цель работы – определение локальных пьезоэлектрических параметров в перфорированных сегнетоэлектрических пленках титаната бария-стронция (Ba0.8Sr0.2TiO3) с упорядоченными вертикальными воздушными каналами, изготовленными методом травления фокусированным ионным пучком.Методы. Экспериментальные исследования проведены методом силовой микроскопии пьезоотклика при приложении электрического поля в планарной геометрии.Результаты. Показано, что перфорация сегнетоэлектрической пленки приводит не только к формированию значительных неоднородностей в распределении пьезоэлектрического отклика в структуре, но и к заметному росту величины как вертикальной, так и латеральной компоненты пьезоотклика вблизи отверстий перфорации. Результаты расчета показали, что наибольшее усиление наблюдается для латеральной компоненты пьезоотклика: от 5 пм/В для неперфорированной пленки до 65 пм/В в области перфорации.Выводы. Наиболее вероятным механизмом подобного изменения свойств является влияние нарушенного слоя, возникающего на границе и внутренней поверхности вертикальных воздушных каналов. Свойства этого слоя обусловлены двумя факторами: аморфизацией структуры в результате травления фокусированным ионным пучком и возникновением вблизи отверстия закрепленных доменных состояний, приводящих к формированию сложного распределения пьезоотклика как на границе отверстий, так и в промежутке между отверстиями перфорации. Полученная информация имеет значение для понимания особенностей формирования локальных пьезо- и сегнетоэлектрических откликов фотонных кристаллов, изготовленных травлением фокусированным ионным пучком, а также для поиска путей управления их состоянием при приложении внешнего электрического поля.

Objectives. Focused ion beam etching remains one of the most common methods for fabricating 2D photonic crystals and structures based on functional materials. This technique is quite well developed for semiconductors. But at the same time, the change in the properties of ferroelectric materials under the action of a focused ion beam, including parameters of distribution and switching of the polarization state under the action of an electric field, remains poorly studied. The purpose of this work is to determine the local piezoelectric parameters in perforated ferroelectric films of barium strontium titanate (Ba0.8Sr0.2TiO3) with ordered vertical air channels fabricated by focused ion beam etching.Methods. Experimental studies were conducted using piezoresponse force microscopy under applied electric field in planar geometry.Results. It is shown that the perforation of a ferroelectric film leads not only to the formation of significant inhomogeneities in the piezoelectric response distribution in the structure, but also to the noticeable increase in the magnitude of both the vertical and lateral components of the piezoresponse near the perforation holes. The calculation results showed that the greatest enhancement is observed for the lateral component of the piezoresponse: from 5 pm/V for a nonperforated film to 65 pm/V in the perforated area.Conclusions. The most probable mechanism for such a change in properties is the influence of a disturbed layer that occurs at the boundary and the inner surface of vertical air channels. The properties of this layer are due to two factors: amorphization of the structure as a result of the focused ion beam etching and the appearance of pinned domain states near the hole, leading to the formation of the complex piezoresponse distribution both at the hole boundary and in the gap between the perforations. The information obtained is important for understanding the peculiarities of the formation of local piezoelectric and ferroelectric responses in photonic crystals fabricated by focused ion beam etching, as well as for finding ways to control their state when an external electric field is applied.

сегнетоэлектрикифотонные кристаллысиловая микроскопия пьезооткликатравление фокусированным ионным пучкомferroelectricsphotonic crystalspiezoresponse force microscopyfocused ion beam etchingАвтор благодарит М.С. Иванова (Университет Авейро, Португалия) за помощь в проведении исследований методом PFM.ReferencesScott J.F., Paz de Araujo C.A. Ferroelectric memories. Science. 1989;246(4936):1400–1405. https://doi.org/10.1126/science.246.4936.1400Scott J.F., Paz de Araujo C.A. Ferroelectric memories. Science. 1989;246(4936):1400–1405. https://doi.org/10.1126/science.246.4936.1400Wang Y.G., Zhong W.L., Zhang P.L. Surface and size effects on ferroelectric films with domain structures. Phys. Rev. B. 1995;51(8):5311–5314. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.5311Wang Y.G., Zhong W.L., Zhang P.L. Surface and size effects on ferroelectric films with domain structures. Phys. Rev. B. 1995;51(8):5311–5314. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.5311Lin P.T., Yi F., Ho S.-T., Wessels B.W. Two-dimensional ferroelectric photonic crystal waveguides: simulation, fabrication, and optical characterization. J. Lightwave Technol. 2009;27(19):4330–4337. https://doi.org/10.1109/JLT.2009.2023808Lin P.T., Yi F., Ho S.-T., Wessels B.W. Two-dimensional ferroelectric photonic crystal waveguides: simulation, fabrication, and optical characterization. J. Lightwave Technol. 2009;27(19):4330–4337. https://doi.org/10.1109/JLT.2009.2023808Matveev O., Morozova M., Romanenko D. Concept of using composite multiferroic structure magnonic crystal – ferroelectric slab as memory unit. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1389(1):012041(1–5). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1389/1/012041Matveev O., Morozova M., Romanenko D. Concept of using composite multiferroic structure magnonic crystal – ferroelectric slab as memory unit. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1389(1):012041(1–5). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1389/1/012041Hu X., Gong Q., Feng S., Cheng B., Zhang D. Tunable multichannel filter in nonlinear ferroelectric photonic crystal. Opt. Commun. 2005;253(1–3):138–144. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.04.056Hu X., Gong Q., Feng S., Cheng B., Zhang D. Tunable multichannel filter in nonlinear ferroelectric photonic crystal. Opt. Commun. 2005;253(1–3):138–144. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.04.056Takeda H., Yoshino K. Tunable photonic band gaps in two-dimensional photonic crystals by temporal modulation based on the Pockels effect. Phys. Rev. E. 2004;69(1Pt2):016605(1–5). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.016605Takeda H., Yoshino K. Tunable photonic band gaps in two-dimensional photonic crystals by temporal modulation based on the Pockels effect. Phys. Rev. E. 2004;69(1Pt2):016605(1–5). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.016605Ferri A., Rémiens D., Desfeux R., Da Costa A., Deresmes D., Troadec D. Evaluation of damages induced by Ga+-focused ion beam in piezoelectric nanostructures. In: Wang Z. (Ed.). FIB Nanostructures. Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology. Cham: Springer; 2013. V. 20. Р. 417–434.Ferri A., Rémiens D., Desfeux R., Da Costa A., Deresmes D., Troadec D. Evaluation of damages induced by Ga+-focused ion beam in piezoelectric nanostructures. In: Wang Z. (Ed.). FIB Nanostructures. Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology. Cham: Springer; 2013. V. 20. Р. 417–434.Леванюк А.П., Misirlioglu I.B., Мишина Е.Д., Сигов А.С. Эффекты деполяризующего поля в перфорированной пленке двухосного сегнетоэлектрика. Физика твердого тела. 2012;54(11):2109–2117. [Levanyuk A.P., Misirlioglu I.B., Mishina E.D., Sigov A.S. Effects of the depolarization field in a perforated film of the biaxial ferroelectric. Phys. Solid State. 2012;54(11):2243–2252. https://doi.org/10.1134/S1063783412110170]Леванюк А.П., Misirlioglu I.B., Мишина Е.Д., Сигов А.С. Эффекты деполяризующего поля в перфорированной пленке двухосного сегнетоэлектрика. Физика твердого тела. 2012;54(11):2109–2117. [Levanyuk A.P., Misirlioglu I.B., Mishina E.D., Sigov A.S. Effects of the depolarization field in a perforated film of the biaxial ferroelectric. Phys. Solid State. 2012;54(11):2243–2252. https://doi.org/10.1134/S1063783412110170]Sherstyuk N.E., Ivanov M.S., Ilyin N.A., Grishunin K.A., Mukhortov V.M., Kholkin A.L., Mishina E.D. Local electric field distribution in ferroelectric films and photonic crystals during polarization reversal. Ferroelectrics. 2016;503(1):138–148. https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1217143Sherstyuk N.E., Ivanov M.S., Ilyin N.A., Grishunin K.A., Mukhortov V.M., Kholkin A.L., Mishina E.D. Local electric field distribution in ferroelectric films and photonic crystals during polarization reversal. Ferroelectrics. 2016;503(1):138–148. https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1217143Ivanov M.S., Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Khomchenko V.A., Tselev A., Mukhortov V.M., Paixao J.A., Kholkin A.L. Enhancement of local piezoelectric properties of a perforated ferroelectric thin film visualized via piezoresponse force microscopy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2017;50(42):425303(1–6). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa8604Ivanov M.S., Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Khomchenko V.A., Tselev A., Mukhortov V.M., Paixao J.A., Kholkin A.L. Enhancement of local piezoelectric properties of a perforated ferroelectric thin film visualized via piezoresponse force microscopy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2017;50(42):425303(1–6). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa8604Mishina E., Zaitsev A., Ilyin N., Sherstyuk N., Sigov A., Golovko Yu., Muhortov V., Kolesnikov A., Lozovik Yu., Yemtsova M., Rasing Th. Switchable nonlinear metalloferroelectric photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 2007;91(4):041107(1–6). https://doi.org/10.1063/1.2762284Mishina E., Zaitsev A., Ilyin N., Sherstyuk N., Sigov A., Golovko Yu., Muhortov V., Kolesnikov A., Lozovik Yu., Yemtsova M., Rasing Th. Switchable nonlinear metalloferroelectric photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 2007;91(4):041107(1–6). https://doi.org/10.1063/1.2762284Mukhortov V.M., Golovko Y.I., Tolmachev G.N., KlevtzovA.N. The synthesis mechanism of complex oxide films formed in dense RF – plasma by reactive sputtering of stoichiometric targets. Ferroelectrics. 2000;247(1):75– 83. https://doi.org/10.1080/00150190008214943Mukhortov V.M., Golovko Y.I., Tolmachev G.N., KlevtzovA.N. The synthesis mechanism of complex oxide films formed in dense RF – plasma by reactive sputtering of stoichiometric targets. Ferroelectrics. 2000;247(1):75– 83. https://doi.org/10.1080/00150190008214943Брехов К.А. Напряженность электрического поля в планарном конденсаторе на основе тонкой сегнетоэлектрической пленки BaSrTiO3. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(9):555–561. https://doi.org/10.17587/nmst.20.555-561 [Brekhov K.A. Electric field intensity in a planar capacitor based on thin BaSrTiO 3 Ferroelectric Film. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika = Nano- and Microsystems Technology. 2018;20(9):555–561 (in Russ.). https://doi.org/10.17587/nmst.20.555-561]Брехов К.А. Напряженность электрического поля в планарном конденсаторе на основе тонкой сегнетоэлектрической пленки BaSrTiO3. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(9):555–561. https://doi.org/10.17587/nmst.20.555-561 [Brekhov K.A. Electric field intensity in a planar capacitor based on thin BaSrTiO 3 Ferroelectric Film. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika = Nano- and Microsystems Technology. 2018;20(9):555–561 (in Russ.). https://doi.org/10.17587/nmst.20.555-561]Volkert C.A., Minor A.M. Focused ion beam microscopy and micromachining. MRS Bulletin. 2007;32(05):389–399. https://doi.org/10.1557/mrs2007.62Volkert C.A., Minor A.M. Focused ion beam microscopy and micromachining. MRS Bulletin. 2007;32(05):389–399. https://doi.org/10.1557/mrs2007.62Morelli A., Johann F., Schammelt N., Vrejoiu I. Ferroelectric nanostructures fabricated by focusedion-beam milling in epitaxial BiFeO3 thin films. Nanotechnology. 2011;22(26):265303(1–6). https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/26/265303Morelli A., Johann F., Schammelt N., Vrejoiu I. Ferroelectric nanostructures fabricated by focusedion-beam milling in epitaxial BiFeO3 thin films. Nanotechnology. 2011;22(26):265303(1–6). https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/26/265303Kholkin A.L., Kalinin S.V., Roelofs A., Gruverman A. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. Kalinin S., Gruverman A. (Eds.). New York: Springer; 2006. 988 р.Kholkin A.L., Kalinin S.V., Roelofs A., Gruverman A. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. Kalinin S., Gruverman A. (Eds.). New York: Springer; 2006. 988 р.Nagarajan V., Roytburd A., Stanishevsky A., Prasertchoung S., Zhao T., Chen L., Melngailis J., Auciello O., Ramesh R. Dynamics of ferroelastic domains in ferroelectric thin films. Nat. Mater. 2003;2(1):43–47. https://doi.org/10.1038/nmat800Nagarajan V., Roytburd A., Stanishevsky A., Prasertchoung S., Zhao T., Chen L., Melngailis J., Auciello O., Ramesh R. Dynamics of ferroelastic domains in ferroelectric thin films. Nat. Mater. 2003;2(1):43–47. https://doi.org/10.1038/nmat800

The authors declare that there are no conflicts of interest present.