Registration Number
0823U102056, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
20-02-2024
popup.evolution
o
Title
Low-temperature study of nanostructured surfaces of model strontium titanate perovskite
Author
Volodymyr Hamalii,
popup.head Nina Krainyukova
popup.opponent Dmytro V. Rokhmistrov
popup.opponent Hanna М. Morozovska
popup.review Viacheslav O. Konstantynov
popup.review Andrii Solovjov
popup.rada
B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine
Description
Дисертаційну роботу присвячено низькотемпературним експериментальним дослідженням наноструктурованих поверхонь модельного перовскіту титанату стронцію SrTiO3 (STO) в широкому інтервалі температур від кімнатної до температури рідкого гелію. Дослідження виконувались методом дифракції високоенергетичних електронів на відбиття (RHEED) з використанням гелієвого кріостату.
У вступі наведено обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи як у фундаментальному, так і у прикладному аспектах. Наведено інформацію про наукові програми, в рамках яких дисертація виконувалась. Описано мету, завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, підкреслено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Зазначено особистий внесок здобувача та надано інформацію про апробацію результатів.
У першому розділі «Структура та властивості перовскітів (огляд літератури)» наведено літературний огляд загальних властивостей перовскітів, їх прикладну цінність, а також властивості та структура STO. Зокрема детально розглянуто пограничну конкуренцію між тенденцією цього об’єкту перейти у сегнетоелектричний стан при зниженні температури та роллю квантового нульового руху атомів, який запобігає такому переходу.
У другому розділі «Методика експерименту та обробки даних» описано використану в даній роботі експериментальну установку для отримання знімків методом RHEED та особливості різних режимів зйомки. Особливу увагу приділено виконанню вимог щодо можливості отримувати інформацію дійсно від чистих та гладких монокристалічних поверхонь STO. Також описано методику обробки отриманих зображень. Окремим підпунктом коротко описується використана в даній роботі теорія функціоналу густини (DFT) для розрахунків та моделювання окремих пластин STO з різними варіантами виходу поверхні.
У розділі також представлено опис цікавих спостережень у різній геометрії зйомки, які вказують на досить високу електричну провідність поверхонь STO.
Третій розділ «Поверхневі структурні переходи» присвячено результатам досліджень атомарно гладких (001) поверхонь монокристалів STO методом RHEED в діапазоні температур від 5,5 до 300 К. Знайдено відмінність поверхневих та об’ємних параметрів ґратки. Підкреслено принципову важливість порушення симетрії кристалічної ґратки на поверхні та сумарний вплив означених ефектів на поверхневі значення параметра ґратки.
Також описано ряд структурних аномалій, що вказують на фазові переходи та їх динаміку на поверхні STO. Один із ключових результатів полягає в тому, що антиферодисторсійний фазовий перехід, що спостерігається в об'ємному STO при 105 К, розтягується на поверхні вздовж інтервалу температур від 70 до 120 К. Виявлені аномалії при температурах нижче 7 К і навколо 35 К свідчать про взаємодію сегнетоелектричних зміщень атомів та їх квантово-механічну стабілізацію через рух атомів у нульовій точці, внесок якого стає також важливим на поверхні. Окрім цього помічено, що існує аномальна поведінка поверхневого параметру близько 150 К та в температурному інтервалі 200-300 К, яка притаманна тільки поверхні та не спостерігається в об’ємному STO.
Четвертий розділ «Площинне стиснення на поверхні» присвячено дослідженню параметрів ґратки та ефекту «площинного» стиснення кристалічної ґратки в перших поверхневих шарах.
В діапазоні температур від 8 до 300 К було більш детально проаналізовано методом RHEED відмінність поверхневих параметрів в залежності від номеру поверхневого шару у температурних інтервалах, де відбуваються структурні перетворення, від тих, які спостерігались поза такими температурними зонами (коли ґратка є зрелаксованою). Особливістю цих перетворень є їх поширення на температурні інтервали.
При низьких температурах виявлено значне “площинне” стиснення кристалічної ґратки у перших поверхневих шарах, що було експериментально підтверджено та теоретично обчислено за допомогою гібридних розрахунків DFT. Відмічено, що теплове розширення на поверхні виявилося значно вищим, ніж в об’ємі, призводячи до зближення параметрів поверхні "в її площині" та об’ємної ґратки при кімнатній температурі.
У п’ятому розділі «Поверхневі наноструктури» висвітлюються наноструктури на поверхні STO та деякі поверхневі особливості, пов’язані зі знайденою неспіврозмірністю між параметрами ґратки в поверхневих шарах і об’ємними значеннями. Така неспіврозмірність виникає через порушення поверхневої симетрії та дефекти поверхні. Встановлено, що неспіврозмірність може релаксувати через ступінчасті краї та дислокації невідповідності.
Окрім цього було з’ясовано, що збільшення куту зрізу між реальною гладкою поверхнею та кристалографічними площинами (001) призводить до утворення періодичних терас на поверхні STO.
Додатково досліджено спеціальні впорядковані наноструктури у вигляді горбків, які виникають на витравлених поверхнях.
Registration Date
2023-12-28
popup.nrat_date
2024-02-05 / 2026-07-01
