Tenké vrstvy s mechanickým pnutím

Napětí v epitaxních vrstvách může indukovat feroelektrické fázové přechody v incipientních ferroelektrikách. Tyto přechody se mohou projevit pozorováním teplotních anomálií polárních měkkých optických fononů. Pro tento účel naše skupina vyvinula unikátní metodu pro studium fononů v ultratenkých vrstvách pomocí reflexní IČ a transmisní THz spektroskopie. V minulosti jsme takto zjistili feroelektrické fázové přechody v natažených tenkých vrstvách SrTiO₃, Sr_n+1Ti_nO_3n+1, EuTiO₃  a EuO. V supermřížkách EuO/BaO jsme dosáhli tahového napětí 6.3 %, které vyvolalo feroelektrický fázový přechod v EuO u 100 K. Tímto způsobem jsme připravili nový feroelektrický feromagnet s možnou silnou magnetoelektrickou vazbou. Zkoumali jsme též kompresně ztlačené tenké vrstvy MnO a NiO, kde jsme objevili na deformaci závislé štěpení fononové frekvence. Tento jev byl úspěšně vysvětlen na deformaci závislou magnetickou výměnnou interakcí (J1). V současnosti též studujeme napnuté tenké vrstvy Sr_1-xBa_xTiO₃ s perovskitovou a Ruddlesden-Popperovou strukturou s anomálně nízkými mikrovlnnými ztrátami a vysokou laditelností permitivity. Naše experimenty potvrdily, že za tyto unikátní mikrovlnné vlastnosti je zodpovědný feroelektrický měkký mód.

Popis

(a) Schematické zobrazení krystalové struktury perovskitové tenké vrstvy EuTiO₃ pod dvouosým tahovým napětím generovaným podložkou DyScO₃.
(b) Ruddlesden-Popprova krystalová struktura Sr_n+1Ti_nO_3n+1 v tahovém napětí.

1. D. Nuzhnyy et al., Soft mode behavior in SrTiO₃/DyScO₃ thin films: Evidence of ferroelectric and antiferrodistortive phase transitions, Appl. Phys. Lett. 95, 232902 (2009).
2. J.H. Lee et al., A strong ferroelectric ferromagnet created via spin-lattice coupling, Nature 466, 954-959 (2010).
3. S. Kamba et al., Magnetodielectric effect and phonon properties of compressively strained EuTiO₃ thin films deposited on LSAT, Phys. Rev. B 85, 094435 (2012).
4.  C.-H. Lee et al., Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics,  Nature 502, 532-536 (2013).
5.  J. Petzelt and S. Kamba, Far infrared and terahertz spectroscopy of ferroelectric soft modes in thin films: A review, Ferroelectrics 503, 19-44 (2016).
6. S. Skiadopoulou et al., Spin and lattice excitations of a BiFeO₃ thin film and ceramics, Phys. Rev. B 91, 174108 (2015).
7. N. M. Dawley et al., Targeted chemical pressure yields tuneable millimetre-wave dielectric, Nature Materials 19, 176-181 (2020).
8. A. Kashir, et al., Spin-phonon interaction increased by compressive strain in antiferromagnetic MnO thin films, J. Phys.: Condens. Matter 32, 175402 (2020).