Controllo delle deformazioni reticolari per le cricche

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5363 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, dimostriamo sperimentalmente la fabbricazione di film ultra-lisci e cristallini di titanato di bario (BTO) su substrati di ossido di magnesio (MgO) ingegnerizzando la deformazione reticolare e la struttura cristallina tramite trattamento termico. Osserviamo che la deposizione impoverita di ossigeno consente la crescita di film BTO altamente tesi su substrati di MgO con superficie priva di crepe. Inoltre, il trattamento post-termico rilassa la tensione, con conseguente miglioramento della ferroelettricità. L'irruvidimento superficiale dei film BTO causato dalla ricristallizzazione durante il trattamento post-termico è controllato mediante lucidatura chimico-meccanica (CMP) per mantenere le superfici ultra lisce iniziali. Dalla spettroscopia Raman, dalla mappa spaziale reciproca (RSM) e dalle misurazioni della curva capacità-tensione (C-V), confermiamo che la ferroelettricità dei film BTO dipende fortemente dal rilassamento della deformazione reticolare e dalla transizione di fase dall'asse a all'asse c- struttura cristallina ad asse orientato.

La ferroelettricità è una proprietà chiave dei materiali perovskiti che mostrano una polarizzazione elettrica spontanea, che può alterare le proprietà fisiche dei materiali mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno. In particolare, il titanato di bario (BTO) è stato ampiamente studiato come promettente materiale ferroelettrico e piezoelettrico di tipo perovskite per lo sviluppo di diversi dispositivi ottici ed elettrici, inclusi condensatori1, rilevatori a infrarossi2 e memoria non volatile3,4. In particolare, i recenti progressi nei film sottili BTO per lo sviluppo di modulatori elettro-ottici (EO) ad alta velocità e a basso consumo energetico hanno attirato molta attenzione per vari tipi di circuiti integrati fotonici, principalmente nella gamma del vicino infrarosso, sfruttando l'elevata Effetto Pockels5,6,7,8,9 secondo il quale l'indice di rifrazione dei materiali può essere modificato in proporzione al campo elettrico applicato. Considerando le proprietà EO superiori dei film BTO su substrati di Si, è necessario esplorare la crescita dei film BTO su substrati trasparenti per estendere la lunghezza d'onda operativa dei dispositivi EO all'intervallo spettrale visibile.

Tra i numerosi substrati di ossido trasparente, l'ossido di magnesio (MgO) è stato considerato il substrato più adatto per guide d'onda e modulatori su chip a causa del suo basso indice ottico (\(n= \sim 1,73\))10, che soddisfa la guida d'onda condizioni in cui un film di BTO viene depositato direttamente sul substrato di MgO. Tuttavia, è difficile far crescere un BTO altamente cristallino (\({a}_{BTO}= \sim 3.996\, {\AA }, {c}_{BTO}= \sim 4.029 \,{\AA }\ )) pellicola su MgO (\({a}_{MgO}= \sim 4.213 \,{\AA }\)) a causa del disadattamento del reticolo (inferiore al 5,4%)11, che provoca una forte sollecitazione sulla pellicola e irruvidisce la sua superficie. Lo strato tampone come il titanato di stronzio (STO) è stato utilizzato per ridurre la deformazione reticolare nei film BTO, ma anche la crescita dello strato tampone epitassiale è un processo impegnativo12,13. In questo articolo, presenteremo un metodo semplice ma versatile per fabbricare film BTO ferroelettrici su MgO privi di crepe, ultra lisci e resistenti, controllando la deformazione del reticolo attraverso l'ottimizzazione della pressione parziale dell'ossigeno durante la deposizione e il trattamento post-termico senza il supporto di alcun strato tampone.

L'importanza della deformazione indotta dal substrato nella pellicola BTO è stata evidenziata dal suo potenziale di miglioramento delle proprietà ferroelettriche, dal controllo della temperatura di Curie e dalla formazione di nanostrutture14,15,16. Pertanto, l'ingegneria della deformazione è estremamente critica per migliorare le prestazioni del dispositivo. Una deformazione ben progettata attraverso un'adeguata selezione del substrato può migliorare notevolmente alcune proprietà di una pellicola14, ma tale deformazione può anche portare al degrado delle proprietà della pellicola quando la scelta del substrato adatto è limitata. Poiché le prestazioni del dispositivo dipendono non solo dalle proprietà fisiche delle pellicole ma anche dalla loro superficie, è molto importante utilizzare la deformazione per far crescere pellicole prive di crepe e ultra lisce, soprattutto nel caso di applicazioni EO in cui è necessaria la guida d'onda per propagazione del segnale ottico. Come illustrato in Fig. 1, ottimizziamo innanzitutto la pressione parziale dell'ossigeno per la crescita di film BTO altamente tesi e privi di crepe su substrati MgO utilizzando la deposizione laser pulsata (PLD). Le pellicole così depositate vengono quindi ricotte per migliorare le caratteristiche ferroelettriche mantenendo la superficie priva di crepe. I film BTO ricotti sono lucidati per mantenere la ruvidità superficiale e levigare la superficie ruvida causata dalla crescita di grani inattesi durante la post-ricottura. Sulla base di questi processi, produciamo con successo un film BTO spesso 500 nm con una ruvidità quadratica media (RMS) di 0,23 nm, sufficiente per realizzare un modulatore EO con una guida d'onda sulla sua superficie.