Identifikācijas numurs: LZP-2024/1-0676
Tips: Latvijas Zinātnes padomes fundamentālo un lietišķo pētījumu projekts
Projekta ilgums: 01.01.2025. - 31.12.2027.
Projekta vadītājs: Dr. phys. Katrīna Laganovska, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI)
Kopējais finansējums: 299 973 EUR
Projekta kopsavilkums:
Segnetoelektrisko īpašību atklāšana hafnija oksīdā 2011. gadā uzsāka otro intensīvo segnetoelektrisko ierīču pētniecības vilni, jo īpaši segnetoelektrisko lauka efekta tranzistoros (FeFET) un segnetoelektriskās brīvpieejas atmiņās (FeRAM). Galvenais segnetoelektriskā HfO2 izaicinājums ir segnetoelektriskās fāzes, polārās ortorombiskās Pca21, stabilizācija. Trīs galvenie faktori ietekmē šo fāzi un tās īpašības: dopanti, defekti un mehāniskie spēki. Lai gan katrs no šiem faktoriem ietekmē fāzi un elektriskās īpašības, skābekļa vakancu veidošanās var gan stabilizēt ortorombisko fāzi, gan būt nelabvēlīga un bieži ir nevēlama blakusparādība, strādājot ar metālu oksīdiem. Lai varētu kontrolēt skābekļa vakanču daudzumu, īpašības un ietekmi uz ortorombiskās fāzes stabilitāti un ierīču uzticamību, ir nepieciešama būtiska izpratne par šo defektu veidošanos un īpašībām. Projekta galvenais mērķis ir eksperimentāli pirmo reizi noteikt skābekļa vakanču koncentrāciju, telpisko sadalījumu, lādiņu, koordinācijas skaitli un aktivizācijas enerģijas hafnija oksīda materiālos un to ietekmi uz elektriskajām un strukturālajām īpašībām. Tīri un leģēti HfO2 materiāli tiks sintezēti, izmantojot mikroviļņu asistēto hidro-/solvo-termālo sintēzi. Minētās skābekļa vakanču īpašības tiks pētītas, izmantojot rentgena fotoelektronu spektroskopiju (XPS), termoluminiscences (TL), pjezo-elektrisko spēka mikroskopiju (PFM), rentgena absorbcijas spektroskopiju (XAS) un citas metodes.
Projekta progress
Projektā “Skābekļa vakanču ietekme un raksturojums segnetoelektriskajos HfO₂ materiālos” ir panākts būtisks progress hafnija oksīda paraugu sagatavošanā un raksturošanā, veidojot pamatu sistemātiskai skābekļa defektu izpētei. Projekta komanda ir optimizējusi mikroviļņu asistētās hidrotermālās sintēzes un pēcsintēzes apstrādes metodes, lai iegūtu reproducējamas HfO₂ nanodaļiņas ar kontrolētu kristālisko fāžu sastāvu. Sagatavoto paraugu sērijā ietilpst neleģēts HfO₂ un ar Gd, La, Al, Si un Y leģēti materiāli. Tas ļauj salīdzināt dažādu leģējošo elementu ietekmi uz defektu veidošanos un kristālisko fāžu sastāvu.
Ir veikta plaša paraugu raksturošana, izmantojot rentgenstaru difrakciju (XRD), rentgenstaru fotoelektronu spektroskopiju (XPS), termiski stimulēto luminiscenci (TSL), fotoluminiscenci (PL) un citas metodes. XRD mērījumi ļauj izsekot ortorombiskās un monoklīnās fāzes īpatsvara izmaiņām, savukārt spektroskopiskie mērījumi sniedz informāciju par skābekļa defektiem un materiālu optisko atbildi. Iegūtie rezultāti ļauj analizēt sakarības starp sintēzes apstākļiem, leģējošo elementu ķīmisko dabu, kristālisko struktūru un ar defektiem saistītajām īpašībām. Ir sagatavoti un pētīti arī paraugi, kas apstrādāti skābekļa, ūdeņraža un vakuuma vidē, lai izvērtētu apstrādes atmosfēras un termiskās vēstures ietekmi.
Nozīmīgs sasniegums ir iegūtais sinhrotrona starojuma mērījumu laiks PETRA III P65 staru līnijā. 2026. gada maijā tika veikti neleģētu un leģētu HfO₂ paraugu rentgenstaru absorbcijas mērījumi, un iegūtie dati pašlaik tiek analizēti kopā ar laboratorijas mērījumu rezultātiem. Šī pieeja palīdzēs noskaidrot, kā lokālā atomārā struktūra, leģējošo elementu iekļaušanās un skābekļa defekti ir saistīti ar ortorombiskās fāzes stabilitāti. Ir pētīta arī kontrolētas termiskās apstrādes un reducēšanas–oksidēšanas ciklu ietekme, lai novērtētu, vai ar defektiem saistītās strukturālās un optiskās izmaiņas ir atgriezeniskas.
Projekta rezultāti ir prezentēti Austrumeiropas feroelektriķu simpozijā, DOC×OPTO 2026 un Starptautiskajā funkcionālo materiālu un nanotehnoloģiju konferencē. Pētnieku nakts pasākumā ar pētījumu un tā iespējamo pielietojumu iepazīstināta arī plašāka sabiedrība. Studenti ir piedalījušies paraugu sintēzē, raksturošanā un datu interpretācijā, iegūstot pieredzi funkcionālo oksīdu izpētes metodēs.
Kopumā projektā ir izveidota plaša paraugu kolekcija un iegūts savstarpēji papildinošu strukturālo un spektroskopisko datu kopums. Pašlaik šie rezultāti tiek analizēti kopā, lai noskaidrotu skābekļa defektu lomu hafnija oksīda fāžu stabilitātē un izstrādātu praktiskas pieejas defektu kontrolei feroelektriskajos materiālos.