Компенсация поляризации сформировала лабиринты на поверхности ионных кристаллов

Физики обнаружили, что при отжиге скола слоистого ионного кристалла танталата калия на его поверхности формируется упорядоченная структура — лабиринт из полос толщиной в пять атомов. Этот эффект наблюдается за счет компенсации избыточной поляризации, которая характерна для поверхности ионных кристаллов со структурой перовскита, пишут ученые в Science.

Если в ионных кристаллах (в узлах решетки которых расположены ионы) катионы или анионы располагаются слоями, то это может привести к эффекту поляризационной катастрофы: локальное электрическое поле в кристалле возрастает быстрее, чем действующие на ионы упругие тормозящие силы, что приводит их к асимметричному смещению относительно равновесных позиций. В объеме ионного кристалла компенсация возникающей избыточной поляризации происходит за счет наличия большого количества слоев и усреднения эффекта по объему, но он все равно приводит к интересным физическим свойствам (в частности, именно поляризационная катастрофа лежит в основе механизма сегнетоэлектрического эффекта). При этом каким образом ионный кристалл может компенсировать подобный эффект на поверхности при сколе вдоль одного из заряженных слоев — вопрос, который все еще изучен довольно мало.

Физики из Австрии и США под руководством Мартина Сетвина (Martin Setvin) из Венского технического университета решили исследовать, как компенсационный эффект при поляризационной катастрофе может повлиять на свойства поверхности при расколе слоистого ионного кристалла вдоль заряженного слоя. Для изучения эффекта был выбран кристалл танталата калия КTaO₃ со структурой перовскита, наиболее типичной для ионных кристаллов, в которых наблюдается эффект поляризационной катастрофы. В предложенном эксперименте кристалл танталата калия раскалывали вдоль направления заряженных слоев ([KO]^- и [TaO₂]⁺) в вакуумной камере, после чего с помощью сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии смотрели на то, что происходит с поверхностью кристалла.

Раскол происходит преимущественно вдоль слоев KO, которые при этом образуют на поверхности неупорядоченную структуру островков. Средняя площадь таких островков составляет около 25 квадратных нанометров, при этом они покрывают половину поверхности. То есть половина поверхности имеет формальный заряд +1 (на одну ячейку), а вторая половина −1 (на одну ячейку), то есть в целом поверхность оказывается незаряженной. Тем не менее, образовавшаяся структура из-за наличия довольно больших по площади участков одинакового знака все равно обладает большой избыточной поверхностной энергией электростатической природы.

По данным сканирующей туннельной микроскопии, участки разных составов на поверхности, кроме разного эффективного заряда, имеют и разные электронные свойства: так, островки KO обладают широкой запрещенной зоной, а области TaO₂ — проводят электрический ток. При этом сформировавшаяся картина разности потенциалов на поверхности становится движущей силой для дальнейшего снижения избыточной поляризации. Запускаются эти механизмы только при повышении температуры (то есть при отжиге при около 250 градусах Цельсия), зато приводят к образованию очень упорядоченных структур заряженных полос фиксированной ширины.

Полная перестройка структуры поверхности при отжиге происходит за счет образования кислородных вакансий, в результате которой формируется структура лабиринта из полос KO и TaO₂. Ширина каждой полосы в таком лабиринте составляет ровно 5 атомов. Численные расчеты подтвердили, что именно такая геометрия приводит к минимальной поверхностной энергии.

Чтобы получить полностью равновесную структуру поверхности, после отжига авторы работы дополнительно обрабатывали ее водяным паром. Такая обработка приводит к образованию на поверхности необходимого количества гидроксильных групп и компенсации заряда. Авторы исследования утверждают, что подобная структура в виде заряженного лабиринта на поверхности может оказаться довольно полезной для практических применений. Возникающие в этих структурах довольно большие электрические потенциалы на атомарных масштабах можно использовать, например, для проведения электрохимических реакций.

Благодаря слоистой структуре перовскита ионные кристаллы интересны не только своими поляризационными свойствами, но могут обладать необычными поверхностными и электронными свойствами. Например, поверхностные свойства рутената стронция со структурой перовскита позволяют наблюдать необычное поведение поверхностных гидроксильных групп и молекул воды. Из полупроводниковых перовскитов делают квантовые точки, а сильно скоррелированные электронные системы на основе кристаллов со структурой перовскита физики предлагают использовать в качестве сенсоров электрического поля.

Александр Дубов