Международный коллектив ученых из ведущих научных организаций России и Чехии внедрил атомы никеля, железа и марганца в кристаллическую структуру титаната стронция SrTiO3 — наиболее известного представителя класса квантовых параэлектриков. У полученных кристаллов ученые исследовали структуру, оптические и диэлектрические свойства при криогенных температурах (ниже 120 K). Результаты исследований опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
Инновационное промышленное производство и быт современного человека невозможны без аккумуляторов, солнечных батарей, устройств навигации и связи, обеспечиваемой искусственными спутниками Земли, и других приборов, прочно вошедших в нашу жизнь. Сейчас важнейшей задачей ученых-материаловедов является получение новых функциональных материалов для усовершенствования электронных устройств. Одно из перспективных направлений ее выполнения — применение перовскитов.
Перовскитом изначально называли только титанат кальция CaTiO3. Этот редкий минерал в 30-е годы XIX века впервые был найден на Урале и назван в честь российского политика — графа Льва Перовского (1792–1856). В настоящее время под перовскитами понимают большую группу соединений, которые имеют кристаллическую структуру, подобную природному титанату кальция, и эмпирическую формулу ABX3, где A и B —катионы, а X — анион, то есть положительно и отрицательно заряженные частицы соответственно. Перовскиты можно синтезировать из различных химических элементов, что позволяет получать кристаллы с заданными оптическими и диэлектрическими свойствами.
Титанат стронция SrTiO3 — один из наиболее известных перовскитов. Соединение интересно своими аномальными диэлектрическими свойствами в области низких температур: вплоть до 0 K оно остается параэлектриком, то есть его относительная диэлектрическая проницаемость возрастает с уменьшением температуры, а поляризованность нелинейно зависит от напряженности электрического поля. Изучение этих аномалий будет способствовать развитию криоэлектроники — науки о взаимодействии электромагнитного поля при криогенных температурах (ниже 120 K) с электронами и твердыми телами и создании на их основе электронных компонентов. От криоэлектроники, в свою очередь, в определенной степени зависит процесс освоения космоса.
Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, совместно с коллегами исследовал влияние допантов на структуру и свойства титаната стронция SrTiO3. Допанты — это атомы, которые внедряют в структуру вещества для придания ему нужных свойств. В данной работе в качестве допантов были выбраны 3d-элементы: марганец, никель и железо — в количестве, равном двум атомным процентам.
Команда выполнила ряд сложных исследований. В частности, рентгеноструктурный анализ показал, что все допированные образцы титаната стронция имеют кубическую кристаллическую решетку типа перовскита. По результатам измерений монокристальной рентгеновской дифракции были получены карты электронной плотности (рисунок 1). Под дифракцией в общем случае понимают изменение направления электромагнитных волн при распространении, а под электронной плотностью — плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке атома или кристалла.
Рисунок 1. Карты распределения остаточной электронной плотности в монокристаллах, допированных марганцем, никелем и железом. Источник: Journal of Materials Chemistry C
«Нами установлено, что в кристаллической решетке SrTiO3 при допировании атомы никеля занимают центр октаэдров, образованных атомами кислорода, — поясняет Михаил Таланов. — Марганец, наоборот, сильно смещается от центра, а железо, по сравнению с никелем и марганцем, находится в промежуточном положении».
Кроме структуры, ученые также исследовали диэлектрические свойства перовскитов методами рамановской и терагерцовой спектроскопии. Следует пояснить, что рамановский спектр, или спектр комбинационного рассеяния, можно наблюдать при воздействии на соединение лазерным излучением, характеризующимся узким разбросом частот и длиной волны, лежащей в ультрафиолетовом (10–380 нм), видимом (380–780 нм) или ближнем инфракрасном (0,78–3 мкм) диапазоне. Терагерцовое излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,1 до 1 мм.
Было определено, что при температурах, близких к 0 K, у допированных образцов существенно снижается максимальное значение действительной части диэлектрической проницаемости. У SrTiO3 данная величина равна 13 000, тогда как у кристаллов, допированных марганцем, железом и никелем, она снижается в два и более раза и составляет всего 7 300, 5 600 и 4 800 соответственно. Действительная часть показывает, насколько поляризовался материал от внешнего электрического поля, а мнимая является мерой потерь энергии.
«Полученные результаты носят фундаментальный характер, — считает Михаил Таланов. — Атомы никеля, железа и марганца проявляют сходные химические свойства за счет участия d-орбиталей в образовании химических связей, но при допировании влияние этих атомов на кристаллическую структуру и свойства перовскита совершенно различно».
Авторы полагают, что полученные ими результаты открывают принципиально новые возможности для практического решения сложной проблемы: управления электрофизическими свойствами параэлектриков путем подбора нужного допанта.
Работа поддержана Российским научным фондом в рамках проектов 21-12-00358, 22-13-00122 и 22-72-10022, а также Министерством науки и высшего образования РФ в рамках проекта № 075-15-2022-1150.
2
