Ученые ЛЭТИ создали наноструктурированные пленки для новых композитных материалов

Ученые ЛЭТИ создали наноструктурированные пленки для новых композитных материалов

Композиты на основе пористых пленок из кристаллов титаната стронция позволят создать новые оптоэлектронные и сверхвысокочастотные устройства, а также элементы энергонезависимой памяти.

21.09.2021 962

Белорусские и российские ученые синтезировали пористые пленки, состоящие из кристаллов SrTiO3. Полученный материал – подходящая матрица для композитов, на основе которых можно будет создать новые оптоэлектронные и сверхвысокочастотные устройства и элементы энергонезависимой памяти. Статья опубликована в журнале Materials.

Свойства любого из существующих материалов диктуют ограничения его возможного применения: например, твердый, но хрупкий, или наоборот, пластичный, но быстро изнашивается. В попытке расширить функциональные возможности ученые создают композиционные материалы (или композиты), соединяя разнородные вещества – металлы, керамику, стекло, пластмассу, углерод и так далее – в единую структуру. Такой материал обычно наследует все или часть свойств своих «родителей», что позволяет создавать системы с необходимыми для конкретных целей характеристиками. Постепенно композиты находят применение в электронике, строительстве, медицине, энергетике и других областях.

Материалы, содержащие ионы европия Eu3+, благодаря своим фотолюминесцентным свойствам перспективны для использования в качестве люминофоров в оптоэлектронных устройствах, например, в светодиодах и лазерах. Спектр люминесценции зависит от состава материала, кристаллической структуры и наличия дефектов.

Оксидные соединения со структурой перовскита (минерала с формулой CaTiO3), получили широкое применение в нелинейной оптике, электрооптических модуляторах, фотокатализе, тонкопленочных конденсаторах и запоминающих устройствах. В их числе титанат стронция (SrTiO3). Это соединение – хорошая матрица для Eu3+ благодаря своей радиационной стойкости и термической стабильности.

Научной группе, в состав которой вошли ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», удалось синтезировать многослойные структуры на основе пористого титаната стронция (SrTiO3). Для этого они применили золь-гель метод: на кремниевую подложку наносили коллоидный раствор, содержащий соединения титана и стронция, и высушивали. Процедуру повторяли несколько раз до достижения необходимой толщины. Для части пленочных образцов использовали чистый SrTiO3, в другие добавили небольшое количество Eu. Также ученые исследовали объемные образцы, состоящие из порошка SrTiO3:Eu.

Физикам удалось синтезировать структуру, состоящую из зерен размером менее 30 нанометров, без темплатов – органических «каркасов», обычно используемых для создания пористого материала. Благодаря мелким зернам и обилию пор, полученная ими система имеет очень большую площадь поверхности. Затем ученые исследовали электрические характеристики полученных структур в широком диапазоне частот. По их мнению, SrTiO3 представляет собой как перспективный материал оптоэлектроники, так и потенциальную матрицу для дальнейшего внедрения различных включений. Помещая в поры титаната стронция диэлектрические или магнитные материалы, можно будет создавать композиты с новыми, не достижимыми ранее свойствами.

«Пористые наноструктурированные пленки титаната стронция, как и объемные порошки, содержащие европий, демонстрируют интенсивные полосы фотолюминесценции – на 612 и 588 нанометрах соответственно. Таким образом, первый из них можно использовать в качестве красного, а второй – в качестве желтого люминофора в оптоэлектронных устройствах. Кроме того, тонкопленочные структуры, в том числе пористый SrTiO3, обнаруживают свойства, представляющие интерес как для создания сверхвысокочастотных устройств (управляемых фильтров, фазовращателей, формирователей ультракоротких импульсов), так и элементов энергонезависимой памяти».

Профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрей Вилевич Тумаркин

Исследования проводились совместно с коллегами из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (Минск, Беларусь), Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (Москва), Рязанского государственного радиотехнического университета (Рязань), Бранденбургского университета прикладных наук (Бранденбург, Германия), Научно-практического центра Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Минск, Беларусь).