ЭПР в титанате стронция SrTiO3

Другим проектом, выполняемым в лаборатории МРС и КЭ им. С.А.Альтшулера является исследование веществ, находящихся по тем или иным характеристикам в пределе стабильности (проект РНФ 22-72-00132). Одним из таких соединений, занимающим особое место, является титанат стронция SrTiO3 (STO). При комнатной температуре он имеет высокосимметричную структуру перовскита и является высокополяризуемым оксидом с диэлектрической проницаемостью порядка 300. При понижении температуры ниже 100К диэлектрическая проницаемость титаната стронция резко возрастает, как при приближении к переходу в полярную (сегнетоэлектрическую) фазу, однако, в стехиометрическом соединении перехода не происходит до самых низких температур. Поэтому титанат стронция называют также виртуальным сегнетоэлектриком. Однако переход в полярное состояние может быть индуцирован приложенным электрическим полем, одноосным давлением либо некоторыми примесями (Ca, Mg, Pb, Ba).

Руководителем предлагаемого проекта в составе коллектива авторов в 2021 году уже были опубликованы результаты исследований монокристаллических образцов STO, имеющих форму тонких ориентированных пластинок, методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в которых примесные ионы Fe3+ и Mn4+ выступали в роли парамагнитных зондов [Gabbasov et al., Europhysics Letters 133, 37002 (2021); Габбасов и др., ФТТ 63, 224 (2021)]. Согласно полученным данным, такие пластинки уже при комнатной температуре и ниже (до перехода в антиферродисторсную фазу при 105 К), в области, отвечающей кубической фазе, испытывают понижение симметрии до тетрагональной. Понижение симметрии индуцируется поверхностью, а величина искажения определяется толщиной пластинки и шероховатостью ее больших граней. Показано, что искажение структуры не обусловлена остаточными деформациями. Природа наблюдаемого эффекта вероятно связана с проявлением метастабильного состояния титаната стронция, имеющего энергию, близкую к энергии основного состояния и становящегося основным вблизи поверхности.

Важной особенностью наших наблюдений является то, что, изменяя шероховатость поверхностей, можно контролировать не только величину тетрагональной деформации в пластинках STO, но и ее распределение по толщине. Так, если две больших грани имеют различающиеся шероховатости, то в пластинке формируется градиент деформации по ее толщине. Градиент деформации должен приводить к утрате центра инверсии и, соответственно, возникновению макроскопической поляризации в образцах. Подобного рода эффекты возникают, в частности, при неоднородной деформации центросимметричных кристаллических объектов, и потому носят название флексоэлектричества. Специфика наших образцов заключается в том, что градиент возникает в ненагруженных объектах. Соответственно, одной из целей проекта является исследование макроскопических проявлений обнаруженного нами существенно локальным методом ЭПР понижения симметрии, в частности, в специфике их диэлектрических свойств.

Второе направление исследований – поиск других кристаллических сред, в которых проявлялся бы подобный описанному выше эффект. На данный момент, сходные проявления в спектрах ЭПР нами обнаружены в ориентированных пластинках MgO, также как и STO, широко используемых в качестве подложек для эпитаксиальных тонких пленок. Оксид магния не относится к высокополяризуемым оксидам, и будет интересным сравнить амплитуды индуцированной градиентом деформации поляризации в MgO и STO.

Третье направление исследований нацелено на установление природы диэлектрических аномалий, возникающих при низких температурах в титанате стронция, содержащем примесь ионов Mn2+.