Využití mechanického napětí v tenkých vrstvách Sr_n+1Ti_nO_3n+1 pro přípravu vysoce laditelných mikrovlnných dielektrik

Pracovníci FZÚ společně s kolegy z Cornell University (USA) teoreticky předpověděli, připravili a experimentálně charakterizovali vrstevnatý perovskitový systém Sr_n+1Ti_nO_3n+1 s n = 1–6. Ačkoli tento systém není v objemové formě (tedy jako krystal či keramika) feroelektrický, ukázalo se, že jako tenká vrstva s tahovým napětím 1 % se stává feroelektrickým a jeho kritická teplota roste s n. Díky tomu se jeho permitivita a elektrická laditelnost zvyšuje. Nejlepších vlastností se dosáhlo u Sr₇Ti₆O₁₉, kde byla za pokojové teploty pozorována nejen vysoká laditelnost, ale i rekordně nízké dielektrické ztráty. Díky tomu má tento materiál o řád lepší mikrovlnné vlastnosti než dosud nejlepší Ba_xSr_1-xTiO₃. Zjistilo se, že zatímco v jiných systémech jsou dielektrické ztráty způsobeny strukturními defekty, které jsou v materiálech vždy přítomné, za nízkými dielektrickými ztrátami Sr_n+1Ti_nO_3n+1 je jeho unikátní vrstevnatá krystalová struktura, která dokáže "absorbovat" strukturní defekty krystalové mřížky.

Vrstevnatá krystalová struktura Sr_n+1Ti_nO_3n+1 s n = 1–6 (vlevo) a teplotní závislost dielektrické permitivity v tenkých vrstvách Sr_n+1Ti_nO_3n+1 (vpravo). Teplota maxim permitivity odpovídá teplotám přechodu do feroelektrického stavu.

¹Department of Materials Science and Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA
²Department of Materials Science and Engineering, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania 16802, USA
³National Institute of Standards and Technology, Boulder, Colorado 80305, USA
⁴Department of Physics, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
⁵School of Applied and Engineering Physics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA
⁶Institute of Physics ASCR, Na Slovance 2, 182 21 Prague 8, Czech Republic
⁷Department of Signal Theory and Communications, Universitat Politècnica de Catalunya, 08034 Barcelona, Spain
⁸Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, Ithaca, New York 14853, USA
⁹Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, USA
¹⁰Leibniz Institute for Crystal Growth, Max-Born-Strasse 2, D-12489 Berlin, Germany
¹¹Materials Science and Engineering Program, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78712, USA
¹²Department of Physics, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania 19122, USA
¹³Department of Materials Science and Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA