Использование устройств с энергонезависимой сегнетоэлектрической памятью возможно только при температурах, существенно ниже температуры фазового перехода из параэлектрического в сегнетоэлектрическое состояние (T_c). Однако, как показали исследования немецких ученых, в принципе можно предотвратить потерю информации, связанную с исчезновением спонтанной поляризации при нагревании сегнетоэлектрика до температур, превышающих T_c.

Сегнетоэлектрик - вещество, обладающее в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией. При высоких температурах (T > T_c) спонтанная поляризация отсутствует (параэлектрическая фаза), а при понижении температуры происходит фазовый переход, связанный с искажением кристаллической структуры, что приводит к появлению спонтанной поляризации (сегнетоэлектрическая фаза). Существование спонтанной поляризации при T < T_c и возможность ее изменения под действием электрического поля делает возможным создание энергонезависимых запоминающих устройств на основе сегнетоэлектриков (подробнее см. об этом в нашей новости).

Казалось бы, нет возможности сохранить определенную поляризацию (и, следовательно, записанную информацию) при температурах выше T_c. Однако ученые из университетов Кельна, Оснабрюка и Дуйсбурга придумали способ, как создать в сегнетоэлектрике выделенное направление поляризации, не теряющееся даже при высоких температурах - были проведены эксперименты с сегнетоэлектриком Sr_0.61Ba_0.39Nb₂O₆, легированном церием (для этого материала T_c = 55 C), продемонстрировавшие подобный эффект [1].

Рис.1. Управление формированием сегнетоэлектрическими доменами с помощью внутренних электрических полей (схематическая иллюстрация); кружками показаны носители заряда, эллипсами обозначены сегнетоэлектрические домены. (a) - ориентация сегнетоэлектрических доменов и распределение носителей заряда под действием внешнего электрического поля при T > Tc; (b) - доменная структура при температуре T < Tc; (c) - исчезновение доменов при повышении температуры (T > Tc); (d) - появление “правильно” ориентированных доменов при охлаждении образца ниже Tc.

Возможность задания выделенного направления поляризации основывается на перераспределении носителей заряда под действием электрического поля при высоких температурах (T > T_c). На рис. 1a схематически показана картина распределения носителей заряда, возникающая под действием электрического поля (в экспериментах Sr_0.61Ba_0.39Nb₂O₆ нагревали до температуры 150 C и прикладывали электрическое поле с напряженностью 3.5 кВ/см). При этом носители заряда распределяются в кристалле так, чтобы компенсировать электрическое поле на границах возникающих под действием поля поляризованных областей внутри кристалла (схематично показаны на рисунке эллипсами). При высоких температурах подвижность носителей достаточно высока, так что перераспределение носителей заряда в кристалле происходит достаточно легко. В то же время при низких температурах (ниже T_c) подвижность носителей заряда существенно ниже, так что перераспределение затруднено. Соответственно, при охлаждении кристалла (без приложения поля) возникающие сегнетоэлектрические домены оказываются упорядочены в требуемом направлении - из-за сохраняющегося распределения зарядов и создаваемого им поля. Но это еще не самое интересное. С помощью электрического поля исследователи переориентировали домены (рис. 1b), но, вследствии низкой подвижности носителей при комнатной температуре, перераспределения носителей не происходило - кристалл не “забывал” заданное направление. При увеличении температуры домены исчезали (рис. 1c), однако характерное время релаксации созданной внешним полем на первом этапе плотности заряда составляло несколько десятков часов, так что повторное охлаждение через несколько часов после нагревания все равно приводило к появлению ориентированных “нужным” образом доменов (рис. 1d).

Таким образом, немецкие ученые научились заставлять кристалл “помнить” заданное направление поляризации, несмотря на неблагоприятные условия - высокие температуры и сильные электрические поля. Обнаруженный эффект позволит расширить температурный диапазон применения сегнетоэлектриков в запоминающих устройствах (во многих отношениях удобнее работать при температурах, достаточно близких к T_c).

1. T.Granzow, Th.Woike, M.Woehlecke et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 127601 (2002).

Е.Онищенко