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).