Moluch 106 c indd

Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических пленках
Клименков Борис Давидович, студент
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
Данная статья является частью научно-исследовательской работы, выполненной по плану обучения 
в магистратуре СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках дисциплины «Междисциплинарный курсовой проект». Основными 
учебными пособиями по задействованным дисциплинам были [1–4]. Предполагается, что результаты про-
деланной работы войдут в магистерскую диссертацию.
Ключевые слова: сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, титанат бария-стронция, 
фазовый переход первого рода, зародышеобразование.
Т
ема исследований охватывает вопросы актуальности применения оксидных сегнетоэлектриков и исследования их 
фазового состава. Оксидные сегнетоэлектрики и гетероструктуры на их основе являются перспективными матери-
алами для создания следующих устройств: солнечных элементов [5]; адаптивных сенсоров [6]; устройств памяти с оп-
тическим считыванием [7–9]. Анализ научно-технической информации показал [10], что в связи с тем, что текстуриро-
Рис.
 1. Зона прикосновения быль барабанов составлен

---

163
Technical Sciences
“Young Scientist” .  #2 (106) .  January 2016
ванные пленки обладают максимальной спонтанной поляризацией и минимальным коэрцитивным полем, необходимо 
решение ряда технологических проблем, связанных с воспроизводимостью их электрофизических параметров, для мас-
сового производства таких пленок. Необходимо тщательно подбирать режим изготовления, вид подложки, температуру 
и скорость нагрева для учета вероятности ухода из пленки летучих веществ, их способности образовывать выделения на 
границах зерен текстурированного материала.
На основе вышеизложенного поставлены следующие цели — исследование фазового состава и возможных вклю-
чений в наиболее часто используемых оксидных сегнетоэлектриках на примере цирконата-титаната свинца (ЦТС), ти-
таната бария-стронция (ТБС); моделирование выделения фазы простого оксида на границах зерен текстурированного 
материала при высокотемпературной обработке.
Широкое применение ЦТС связано с тем, что варьируя технологию получения пленок на его основе, возможно по-
лучать структуры с оптимальными необходимыми характеристиками [11]. При синтезе и отжиге пленок ЦТС проис-
ходит образование и разрастание зародышей перовскитовой фазы в низкотемпературной пирохлорной матрице (фа-
зовый переход первого рода) [12]. Происходит усадка фазы перовскита и изменение энтальпии и массы, возможен уход 
оксида свинца из получаемой структуры, что усложняет проблему получения пленок с нужным составом и свойствами. 
Может наблюдаться нестехиометрия по свинцу и кислороду [13], что приводит к изменению и неоднородности электро-
физических свойств пленок [14].
Описанию фазовых переходов в пленках ТБС посвящено меньшее количество работ, но данный материал в по-
следнее время интенсивно исследуется, поскольку наличие в нем диэлектрической нелинейности позволяет создавать 
электронно-перестраиваемые СВЧ-устройства — фазированные антенные решетки с электронным сканированием по 
высоте, перестраиваемые фильтры и параметрические усилители [15].
В ходе исследования структурных свойств сегнетоэлектрических пленок ТБС различного состава в зависимости от 
технологических условий осаждения было показано [15, 16], что температура осаждения оказывает прямое влияние на 
фазовый и компонентный состав пленок, параметры кристаллической решетки и размеры кристаллитов.
Для поиска путей повышения эффективности производства сегнетоэлектрических пленок и устройств на их основе, 
надо понять кинетические явления, происходящие при их получении. Для этого рассмотрена модель образования новой 
фазы, включающая основные стадии процесса роста при фазовом переходе первого рода, а именно: зародышеобра-
зование; дальнейшее увеличение размера частиц; образование сетчатой несплошной пленки; образование сплошной 
пленки, свободной от дырок [17]. Объектом исследований выберем фазовый переход из пирохлорной в перовскитовую 
фазу, наблюдаемый в процессе формирования сегнетоэлектрических пленок ЦТС, так как при нем зародыши новой 
фазы имеют одинаковую морфологически устойчивую форму, большие размеры и маленькую скорость роста. Тепловое 
воздействие приводит к процессу частичного распада зерна ЦТС, с уходом из него наиболее активного оксида:
(
)
{
}
(
)
3
3
Pb
O
Pb Zr,Ti O
Pb
Zr,Ti
O
PbO
N m
N m
N
N
m
mV
mV
••
−
−
′′
→
+
+
+
, 
где 
(
)
3
Pb Zr,Ti O
— химическая формула ЦТС; 
PbO
— молекула оксида свинца, вышедшая на границу зерна 
ЦТС; 
N
— общее число частиц в зерне; 
m
— число ушедших из зерна частиц; Pb O
,
V
V
••
′′
— двукратно ионизированные 
вакансии по свинцу и кислороду. При удалении из зерна ЦТС атомов свинца и кислорода в эквивалентном количестве 
в решетке может возникнуть вакансионная полость, стенки которой состоят из метастабильных атомов с оборванными 
связями. Эти связи могут восстанавливаться за счет захлопывания вакансионной полости с образованием дислокации 
сдвига. Процесс переноса свинца и кислорода (обратный поток свинцовых и кислородных вакансий) записывается 
в виде диффузии вакансионных комплексов в сторону от границы зерен [11]: 
( )
( )
( )
2
c
c
c
c disl
c
c
,
,
ρ
,
C
t
D
C
t D
C
t C
t
∂


=
∇
−
−


∂