Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд

ФИЗИКА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД

With 129 Figures and 24 Tables 

Physics 
of Ferroelectrics

A Modern Perspective

Karin M. Rabe,  Charles H. Ahn,  
Jean-Marc Triscone (Eds.)

ФИЗИКА
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД

Под редакцией
К. М. Рабе, Ч. Г. Ана, Ж. -М. Трискона 

Перевод с английского
д-ра физ.-мат. наук, проф. Б. А. Струкова 
и д-ра физ.-мат. наук, проф. А. И. Лебедева  

4-е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 537
ББК 22.37
Ф50

Ф50
Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд / под
ред. К. М. Рабе, Ч. Г. Ана, Ж.-М. Трискона ; пер. с англ. —
4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 443 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл.
с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-827-8
Книга содержит семь аналитических обзоров ведущих ученых
Европы и США. Материал дает представление о важных изменениях, произошедших в физике сегнетоэлектриков за последние 20 лет.
Рассматриваются концептуальные достижения теории сегнетоэлектричества, новые технологии получения тонких эпитаксиальных
пленок оксидных сегнетоэлектриков и сверхрешеток и методы их
исследования. Описываются результаты теоретических и экспериментальных исследований размерных эффектов в тонких и сверхтонких сегнетоэлектрических пленках, сегнетоэлектрических наночастицах и нанотрубках. Приводятся результаты изучения доменных
стенок в тонких сегнетоэлектрических пленках, а также данные по
исследованию мультиферроиков. Полученные сведения позволяют
использовать сегнетоэлектрики в электронике и других областях
техники, в том числе для создания сегнетоэлектрических энергонезависимых запоминающих устройств (FRAM) и диэлектрических
слоев в интегральных схемах.
Для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, практических
специалистов и научных работников.
УДК 537
ББК 22.37

Деривативное издание на основе печатного аналога: Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд / под ред. К. М. Рабе,
Ч. Г. Ана, Ж.-М. Трискона ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 440 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-0302-1.

Первый тираж осуществлен при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 09-02-07041

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-827-8

Translation from the English language
edition: “Physics of Ferroelectrics”
edited by Karin M. Rabe, Charles
H. Ahn, Jean-Marc Triscone

c○
Copyright
Springer-Verlag Berlin Heidelberg
2007 Springer is a part of Springer
Science+Business Media. All Rights
Reserved.

c○ Лаборатория знаний, 2015

4

ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКОВ

Сегнетоэлектричество, подобно всем основным разделам физики конденсированного состояния вещества, находится в состоянии непрерывного развития. По существу, идет постоянный процесс как углубления наших знаний
в этой области физики диэлектриков и полупроводников, так и расширение
возможностей практического применения уникальных свойств сегнетоэлектриков. Несомненно, что на границе двух веков произошел качественный прорыв
по обоим этим направлениям. С одной стороны, в теории сегнетоэлектричества четко обозначилось существенное расширение возможностей применения
классической теории Ландау для описания свойств низко- и наноразмерных
объектов, кристаллов с неоднородным распределением поляризации, связанным с доменной структурой и поверхностной релаксацией, неоднородным
распределением примесей и дефектов. Лавинообразно увеличился поток работ,
связанных с расчетами из первых принципов, позволяющих вплотную подойти
к выяснению природы сегнетоэлектрических явлений. С другой стороны, в связи с появлением и развитием новых методов сильно расширились возможности
экспериментального исследования физических свойств, доменной и кристаллической структуры объемных и наноструктурированных сегнетоэлектриков,
мультиферроиков. Несомненно, прорывным направлением стало получение,
исследование и применение сегнетоэлектриков в виде тонких пленок, сверхрешеток и композитов.
Предлагаемая читателю переводная монография имеет целью обобщить
собранный в мировой литературе материал, иллюстрирующий изменение актуальных направлений исследований в области физики сегнетоэлектриков на
границе двух веков и не отраженный в издававшихся ранее монографиях
и учебниках. Представленные в виде глав обзоры написаны различными авторами, но объединены единством замысла, последовательностью и уровнем
изложения. Последнее является важным достоинством книги: авторы уделяют
основное внимание физическим основам рассматриваемых явлений, это делает
ее полезной не только для специалистов в области сегнетоэлектричества, но
и для аспирантов — молодых ученых, желающих познакомиться с наиболее актуальными проблемами. Этому способствует построение и последовательность
разделов: первые три главы можно рассматривать как вводные. Особенно
это полезно и необходимо при чтении глав, посвященных изложению основ
расчетов из первых принципов, в которых авторы акцентируют внимание на
основных фундаментальных положениях теории твердого тела, позволяющих
строить современную микроскопическую теорию сегнетоэлектричества.

Предисловие переводчиков

Несомненным достоинством монографии является весьма полный список
литературы по обсуждаемым проблемам. Практически во всех главах он
включает работы, выполненные по 2006 г. включительно. Конечно, это связано с тем, что авторами обзоров-глав являются известные ученые, активно
работающие на самом переднем крае тех разделов физики сегнетоэлектриков,
изложению которых посвящены их разделы. Все же в ряде случаев мы сочли
целесообразным дополнить списки литературы ссылками на неупомянутые
работы российских ученых и некоторые работы, появившиеся после выхода
в свет издания на английском языке.
Авторы перевода надеются, что проделанная ими работа будет полезна для
специалистов, аспирантов, студентов, работающих в области физики сегнетоэлектриков и выражают благодарность Российскому фонду фундаментальных
исследований, поддержавшему этот проект. Главы 3, 6–8 и приложение B переведены Б. А. Струковым, главы 1, 2, 4, 5 и приложение A — А. И. Лебедевым.

Б. А. Струков,
А. И. Лебедев

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние двадцать лет произошел революционный прорыв в понимании
сегнетоэлектрических материалов — как с точки зрения теории, так и эксперимента. Подходы, основанные на расчетах из первых принципов, в том числе
формулировка сегнетоэлектричества в терминах фазы Берри, теперь могут
использоваться для точного количественного предсказания свойств материалов, а монокристаллические тонкие пленки доступны для фундаментальных
исследований этих материалов. Кроме того, потребности в диэлектриках с высокой диэлектрической проницаемостью и в устройствах энергонезависимой
памяти для полупроводниковых приложений вызвали настоящий ренессанс
в исследовании этих материалов.
В настоящей книге современная физика сегнетоэлектричества в оксидах
излагается в нескольких главах, общей задачей которых является отразить
наиболее важные достижения и инновации, полученные за последние тридцать
лет. После вводной главы, следующие четыре главы — Реста и Вандербильта,
Чандра и Литтлвуда, Рабе и Госеза, и Спалдин — посвящены наиболее важным
последним теоретическим достижениям в этой области. Наоборот, последующие три главы — Посадаса и др., Лихтенштайгер и др., Паруча и др. — дают
представление об избранных экспериментальных работах, являющихся яркой
иллюстрацией того, каких результатов можно добиться, имея высококачественные эпитаксиальные пленки оксидов, полученные с помощью современных технологий осаждения, которые описаны в разделе Посадаса и др. Мы
сконцентрировались на этой конкретной области, поскольку в одной книге
невозможно осветить весь объем результатов, полученных в последнее время
на новых материалах с использованием новых экспериментальных методик.
В конце книги интересующийся читатель найдет полезные таблицы, содержащие наиболее важные свойства материалов, подложек и методы выращивания.
Мы бы хотели подчеркнуть, что эту книгу не следует рассматривать, как
охватывающую такой же объем материала по проблеме, как классическая
книга Лайнса и Гласса «Сегнетоэлектрики и родственные им материалы»,
в которой так полно систематизированы знания из первого «Золотого века» исследований сегнетоэлектрических оксидов; скорее она — дополнение,
позволяющее читателю перейти от основ к современности. Совершенно новые
разделы включают современную теорию поляризации (Реста и Вандербильт),
исследование сегнетоэлектриков из первых принципов (Рабе и Госез), новую
физику наномасштабных сегнетоэлектрических структур и образцов, в том
числе сверхтонких сегнетоэлектрических пленок и короткопериодных сверхрешеток (Посадас и др., Лихтенштайгер и др., Паруч и др. и приложение В).

Предисловие

Новые подходы представлены в изложении феноменологической теории Ландау—Девоншира в разделе Чандра и Литтлвуда и приложении А, а также
в обсуждении соотношения между сегнетоэлектричеством и ферромагнетизмом в разделе Спалдин. Действительно, в этом разделе мы увидим, что
новые подходы в физике магнитных сегнетоэлектриков приводят к настоящему ренессансу в дизайне, синтезе, исследованиях и теории так называемых
«мультиферроидных» материалов.
Июнь 2007 г.

Rutgers University, Piscataway NJ, USA
Karin M. Rabe
Yale University, New Haven CT, USA
Charles H. Ahn
University of Geneva, Geneva, Switzerland
Jean-Marc Triscone

Глава 1
СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ:
НЕОБХОДИМЫЕ ОСНОВЫ

Карин М. Рабе1, Мэттью Даубер2,
Селина Лихтенштайгер2, Чарльз Х. Ан3,
Жан-Марк Трискон 2

1 Department of Physics and Astronomy, Rutgers University,
136 Frelinghuysen Road, Piscataway, NJ 08854-8019, USA
rabe@physics.rutgers.edu

2 Condensed Matter Physics Department, University of Geneva,
24 quai Ernest Ansermet, CH-1211 Geneva 4, Switzerland
jean-marc.triscone@physics.unige.ch

3 Departments of Applied Physics and Physics, Yale University,
New Haven CT 06520-8120, USA
charles.ahn@yale.edu

Рассмотрены принципы сегнетоэлектричества и представлена информация о сегнетоэлектриках и их применениях. Подробно обсуждаются вопросы определения сегнетоэлектрических характеристик из измерений электрического гистерезиса. Представлены основные семейства сегнетоэлектрических оксидов, включая соединения
со структурой перовскита и их твердые растворы, ниобат лития, слоистые оксиды,
магнитные сегнетоэлектрические оксиды и электронные сегнетоэлектрики, описана
их кристаллическая структура и приведены значения поляризации. Рассмотрено
влияние давления и эпитаксиальной деформации на свойства перовскитов. Кратко
представлены последние достижения в понимании сегнетоэлектрических явлений
в тонких пленках, сверхрешетках и наноструктурах. В заключение описаны применения сегнетоэлектриков — как уже ставшие традиционными, так и находящиеся
в стадии разработки.

1.1.
Введение

Сегнетоэлектриком называют изолятор, имеющий два или б´ольшее число
стабильных (или метастабильных) состояний с различной ненулевой электрической поляризацией при нулевом внешнем электрическом поле; эту поляризацию называют спонтанной поляризацией. Чтобы вещество считалось сегнетоэлектриком, необходимо, чтобы поляризацию можно было переключить
между различными состояниями с помощью внешнего электрического поля,
которое изменяет относительную энергию этих состояний благодаря связи
поля с поляризацией, −E · P.
Концепция электрической поляризации является, таким образом, ключом к пониманию сегнетоэлектричества. Для конечных систем электрическая
поляризация определяется просто как дипольный момент, рассчитываемый

Глава 1. Современная физика сегнетоэлектриков: необходимые основы

из плотности заряда, деленный на объем системы (хотя следует заметить,
что границы сверхмалых систем нельзя считать резкими). Для бесконечного
кристалла определение поляризации как объемной характеристики, как было
давно показано, сформулировать гораздо сложнее. Решением этой задачи,
предложенным Реста, Кинг-Смитом и Вандербильтом и в настоящее время
называемым «современной теорией поляризации», является определение поляризации через интеграл тока, протекающего в процессе перехода из одного
состояния в другое, результат которого выражается в терминах фазы Берри.
Это определение через индуцированный ток имеет еще одно преимущество,
поскольку оно напрямую связано с электрическими и оптическими методами
измерения поляризации. Другим новым аспектом этого подхода является то,
что поляризация оказывается не обычным вектором, а решеткой векторов
P0 + eR/Ω, где R — вектор решетки Бравэ кристалла, а Ω — объем элементарной ячейки. К интуитивно понятной структурной картине можно перейти,
переформулировав выражение для фазы Берри в терминах центров функций
Ванье кристалла. Эти идеи и их применение к сегнетоэлектрикам будут более
подробно объяснены в гл. 2.
В этом обзоре мы дадим общую вводную информацию о сегнетоэлектриках,
необходимую в качестве «фона» для чтения последующих глав этой книги. Мы
рассмотрим лишь наиболее существенные моменты, особо обращая внимание
на те из них, которые представлены в литературе не слишком широко; за более
детальным описанием этих вопросов мы отсылаем читателя к классической
книге Лайнса и Гласса [1], которая до сих пор остается весьма полезной,
несмотря на то, что она появилась в 1977 г., а также к бесценной подборке
справочных данных в серии томов Ландольта—Бернштейна [2, 3]. Мы начнем
с обсуждения вопросов определения сегнетоэлектрических свойств с помощью
измерений петель гистерезиса при переключении поляризации. Затем мы обсудим связь между сегнетоэлектричеством и кристаллической структурой (в более общем виде — расположением атомов), опишем кристаллические структуры и приведем данные об электрической поляризации и фазовых диаграммах
наиболее широко исследованных сегнетоэлектрических оксидов; на эту информацию мы будем широко ссылаться в различных главах настоящей книги.
Наконец, мы рассмотрим современное состояние двух областей, в которых в последние годы происходит бурное развитие:
1) в исследовании эффектов конечных размеров в сегнетоэлектрических тонких пленках, сверхрешетках и наноструктурах; 2) в практическом применении сегнетоэлектрических оксидов.

1.2.
Переключение и петли гистерезиса

Как упоминалось выше, определяющим признаком сегнетоэлектричества является возможность переключения между различными (мета)стабильными
состояниями при приложении импульсов электрического поля. Установлено,
что механизм переключения проявляется на масштабах длин, существенно