Локальные пьезоэлектрические свойства перфорированных сегнетоэлектрических пленок титаната бария-стронция

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 (Ba_0.8Sr_0.2TiO₃) 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.

1. Scott J.F., Paz de Araujo C.A. Ferroelectric memories. Science. 1989;246(4936):1400–1405. https://doi.org/10.1126/science.246.4936.1400

2. Wang 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.51.5311

3. Lin 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.2009.2023808

4. Matveev 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/10.1088/1742-6596/1389/1/012041

5. Hu 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.2005.04.056

6. Takeda 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.69.016605

7. 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.

8. 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]

9. 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/10.1080/00150193.2016.1217143

10. Ivanov 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/aa8604

11. Mishina 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/10.1063/1.2762284

12. Mukhortov 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/10.1080/00150190008214943

13. 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]

14. Volkert C.A., Minor A.M. Focused ion beam microscopy and micromachining. MRS Bulletin. 2007;32(05):389–399. https://doi.org/10.1557/mrs2007.62

15. Morelli 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/10.1088/0957-4484/22/26/265303

16. 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.

17. 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/nmat800