Особенности поляризации ленгмюровских пленок титаната бария при электрическом воздействии

Цель исследования. Сформировать пленочную структуру из коллоидной системы BaTiO3 методом Ленгмюра – Блоджетт и охарактеризовать ее поляризационные свойства с привлечением современных наноинструментальных методов.

Методы. Определение химической структуры по комбинационному (рамановскому) рассеянию света; исследование поляризации пленки на сканирующем зондовом микроскопе в режиме микроскопии зонда Кельвина.

Результаты. Из коллоидной системы стабилизированных наночастиц титаната бария получены многослойные пленочные структуры Ленгмюра – Блоджетт. Методом комбинационного (рамановского) рассеяния света подтверждена их химическая структура: наблюдались линии, соответствующие как тетрагональной, так и кубической структуре титаната бария, а также обнаружены линии, вызванные поперечными и продольными оптическими колебаниями. По диэлектрическому гистерезису установлены значения коэрцитивных полей (624 и 1056 кВ/см) и поле смещения (216,5 кВ/см). Поляризация нанопленки из титаната бария на стеклянной подложке с платиновым подслоем исследовалась по контрасту оттенков на изображениях, полученных методом микроскопии зонда Кельвина. Показано, что наиболее предпочтительным материалом подложки, способствующим усилению поляризации, является платина. Произведена последовательная запись областей в форме квадратов (информационных пит) при положительном, а затем при отрицательном напряжении, установлена функциональная зависимость величины остаточной поляризации от напряжения.

Заключение. В плёночных структурах, сформированных из наночастиц титаната бария методом Ленгмюра – Блоджетт, методом зонда Кельвина под действием напряжения разных знаков с помощью кантилевера атомно-силового микроскопа созданы и исследованы микроразмерные поляризованные структуры, анализ профилей которых показал, что достигнутая при этом контрастность составила 50:1 для светлых и 600:1 для темных изображений.

1. Relaxation motion and possible memory of domain structures in barium titanate ceramics studied by mechanical and dielectric losses / B. L. Cheng, M. Gabbay, M. Maglione, G. Fantozzi //Journal of Electroceramics. 2003. Vol. 10, No. 1. P. 5–18.

2. Stoica L., Bygrave F., Andrew J. Barium titanate thin films for novel memory applications // UPB Sci. Bull., Series A. 2013. Vol. 75. Р. 147–158.

3. Design strategy of barium titanate/polyvinylidene fluoride-based nanocomposite films for high energy storage / Yan Wang, Minggang Yao, Rong Ma [et al.] // Journal of Materials Chemistry A. 2020. Vol. 8. No. 3. P. 884–917.

4. Razi P. M., Angappane S., Gangineni R. B. Bipolar resistive switching studies in amorphous barium titanate thin films in Ag/am-BTO/ITO capacitor structures // Materials Science and Engineering: B. 2021. Vol. 263. P. 114852.

5. Write-once-read-many-times resistive switching behavior of amorphous barium titanate based device with very high on-off ratio and stability / A. K. Shringi, A. Betal, M. Kumar, S. Sahu // Applied Physics Letters. 2021. Vol. 118, No. 26. P. 263505.

6. Surface-initiated polymerization from barium titanate nanoparticles for hybrid dielectric capacitors / S. A. Paniagua, Yunsang Kim, K. E. Squires [et al.] // ACS applied materials & interfaces. 2014. Vol. 6, No. 5. P. 3477–3482.

7. Novel design of highly [110]-oriented barium titanate nanorod array and its application in nanocomposite capacitors / L. Yao, Z. Pan, J. Zhai, Haydn H. D. Chen // Nanoscale. 2017. Vol. 9, No. 12. P. 4255–4264.

8. Lead zirconate titanate and barium titanate bi-layer ferroelectric films on Si / Yingying Wang, Jingdan Yan, Hongbo Cheng [et al.] // Ceramics International. 2019. Vol. 45, No. 7. P. 9032–9037.

9. Barium titanate at the nanoscale: controlled synthesis and dielectric and ferroelectric properties / B. Jiang, J. Iocozzia, Lei Zhao [et al.] // Chemical Society Reviews. 2019. Vol. 48, No. 4. P. 1194–1228.

10. Microwave dielectric properties of graded barium strontium titanate films / M. W. Cole, C. Weiss, E. Ngo [et al.] // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, No. 18. P. 182906.

11. Barium titanate flakes based composites for microwave absorbing applications / R. K. Jain, A. Dubey, A. Soni [et al.] // Processing and Application of Ceramics. 2013. Vol. 7, No. 4. P. 189–193.

12. Dielectric properties of Mn doped Bismuth Barium Titanate based ceramic thin films prepared by PLD technique / S. Mallick, A. Vorobiev, Z. Ahmad [et al.] // Ceramics International. 2017. Vol. 43, No. 12. P. 8778–8783.

13. Vu T. H., Phuong N. T. M., Nguyen T. Lead-free ferroelectric barium titanate-based thin film for tunable microwave device application // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1091, No. 1. P. 012060.

14. Tohma T., Masumoto H., Goto T. Microstructure and dielectric properties of barium titanate film prepared by MOCVD // Materials Transactions. 2002. Vol. 43, No. 11. P. 2880– 2884.12,5

15. Chinchamalatpure V. R., Ghosh S., Chaudhari G. Synthesis and electrical characterization of BaTiO3 thin films on Si (100) // Mater. Sci. Appl., 2010. Vol. 1, No. 4. P. 187.

16. Structural and electrical properties of barium titanate (BaTiO) thin films obtained by spray pyrolysis method / S. S. Kumbhar, M. Mahadik, P. Chougule [et al.] // Materials Science Poland. 2015. Vol. 33, No. 4. P. 852–861.

17. Preferentially oriented BaTiO3 thin films deposited on silicon with thin intermediate buffer layers / J. P. George, J. Beeckman, W. Woestenborghs [et al.] // Nanoscale research letters. 2013. Vol. 8, No. 1. P. 1–7.

18. Кузьменко А. П., Чухаева И. В., Абакумов П .В. Особенности формирования и структуры ленгмюровских пленок титаната бария // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, вып. 8. С. 1244–1253. 19. Акципетров О. А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов // Соросовский образовательный журнал. 2001. № 7, вып. 7. C. 109–116.

19. Титков А. Н., Анкудинов А. В. Атомно-силовая микроскопия поляризационных доменов в сегнетоэлектрических пленках // Физика твердого тела. 2005. № 47, вып. 6. C. 1110–1117.

20. Characterization of barium titanate ceramic powders by raman spectroscopy / Z. La- zarevich, N. Romcevich, M. Vijatovich [et al.] // Acta Physica Polonica A. No. 115(4). 2009. P. 808–810.

21. Piezoelectric properties of barium titanate langmuir films / A. P. Kuzmenko, I. V. Chuhaeva, P. V. Abakumov, M. B. Dobromyslov // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2016. Vol. 8. P. 04043-1–04043-2.

22. Nakamura T., Ebina T., Hayashi H. In-situ Raman spectroscopy of BaTiO3 particles for tetragonal–cubic transformat // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2013. Vol. 74. P. 957–962.

23. Rh:BaTiO3 thin films with large nonlinear optical properties / H. Wang, G. Tan,

24. A. Jiang, Y. Zhou, Zh. Ch. G. Yang // Applied Optics. 2002. Vol. 41, is. 9. P. 1729–1732.

25. Чухаева И. В., Абакумов П. В., Кузьменко А. П. Структура и диэлектрические свойства монослоев BaTiO3 // Известия Юго-Западного государственного университета. 2014. № 5 (56). C. 46–49.

26. Ржанов А. В. Титанат бария – новый сегнетоэлектрик // Успехи физических наук. 1949. № 38, вып. 4. C. 461–489.

27. Nanoscale polarization manipulation and imaging of ferroelectric Langmuir-Blodgett polymer films / B. J. Rodriguez, S. Jesse, S. Kalinin [et al.] // Applied physics letters. 2007. Vol. 90, No. 12. P. 122904.