Mechanical Properties of Li-Nb-O System Films

Александр Викторович Костюченко; Евгений Константинович Белоногов; Валентин Михайлович Иевлев; Александр Евгеньевич Никонов; Евгений Александрович Осипов; Павел Александрович Осипов

doi:10.17308/kcmf.2025.27/13016

Александр Викторович Костюченко ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-0049-3664
Евгений Константинович Белоногов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-0216-0986
Валентин Михайлович Иевлев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», Ленинские горы, 1, Москва 119991, Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-3205-2580
Александр Евгеньевич Никонов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация http://orcid.org/0009-0000-0852-2303
Евгений Александрович Осипов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация http://orcid.org/0009-0002-1209-3833
Павел Александрович Осипов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация http://orcid.org/0009-0003-3891-2646

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13016

Ключевые слова: пленка, ниобат лития, термическая обработка, кристаллизация, структура, морфология поверхности, наноиндентирование, твердость, растрескивание

Аннотация

Цель статьи: Дать количественную оценку твердости, упругости, пластичности и определить влияние на эти параметры структуры и субструктуры пленок системы Li-Nb-O.

Экспериментальная часть: Пленки системы Li-Nb-O толщиной ~ 0.8 мкм выращивали на ненагретых подложках (оксидированные пластины монокристаллического кремния (слой SiO2 ~0.4 мкм), монокристаллы ниобата лития ориентации (0001)) в процессе ионно-лучевого распыления мишени из ниобата лития. Термический отжиг пленок Li-Nb-O на подложках проводили на воздухе в течение 10 мин. (до завершения процесса кристаллизации) при температурах: 550, 650, 700, 750, 800 и 850 °С. Охлаждение гетероструктур пленка-подложка проводили с печью. Фазовый состав пленок исследовали методами рентгеновской дифрактометрии и дифракции быстрых электронов. Субструктуру исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии и высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии ультратонких срезов образцов. Морфологию поверхности исследовали методами сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Механические свойства (твердость, модуль упругости) определяли по результатам наноиндентирования.

Выводы: Установлено, что термический отжиг в кислородосодержащей среде при температуре 750°С вызывает кристаллизацию квазиаморфных пленок Li-Nb-O и синтез однофазных пленок LN с параметрами решетки, наиболее близкими решетке монокристаллического LN стехиометрического состава. Наиболее вероятны следующие механизмы необратимой деформации пленок LN: хрупкое разрушение, пластическая деформация кристаллитов и межзеренное проскальзывание. Пленки LN, синтезированные при температуре 650-750°С, наиболее склонны к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение наступает при нарастании в пленках макронапряжений, возникающих из-за разных коэффициентов термического расширения пленки и подложки. Трещиностойкость пленок существенно возрастает при использовании подложки с близким к пленке коэффициентом термического расширения. Твердость нано- и микрокристаллических пленок LN всегда выше твердости квазиаморфных пленок системы Li-Nb-O. Снижение твердости пленок, синтезированных при высокой температуре отжига, обусловлено уменьшением концентрации точечных дефектов и увеличением размеров кристаллитов

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Александр Викторович Костюченко, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

к. ф.‑м. н., доцент, доцент кафедры твердотельной электроники, Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Евгений Константинович Белоногов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, профессор кафедры физики, Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Валентин Михайлович Иевлев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», Ленинские горы, 1, Москва 119991, Российская Федерация

академик РАН, д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой междисциплинарного материаловедения, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (Москва, Российская Федерация)

Александр Евгеньевич Никонов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

к. ф.-м. н., н. с. лаборатории «Функциональные материалы», Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Евгений Александрович Осипов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

студент, кафедра твердотельной электроники, Воронежский государст венный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Павел Александрович Осипов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

студент, кафедра твердотельной электроники, Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Huang C. H. J., Rabson T. A. Low-loss thin-film LiNbO3 optical waveguide sputtered onto a SiO2/Si substrate. Optics Letters. 1993;18(10): 811–813. https://doi.org/10.1364/OL.18.000811

Xu H., Dong S., Xuan W., … Luo J. Flexible surface acoustic wave strain sensor based on single crystalline LiNbO3 thin film. Applied Physics Letters. 2018;112: 093502. https://doi.org/10.1063/1.5021663

Jiang H., Dai C., Shen B., Jun J. High-performance LiNbO3 domain wall memory devices with enhanced selectivity via optimized metal–semiconductor contact. Nanomaterials. 2024;14(12): 1031. https://doi.org/10.3390/nano14121031

He J., Ye Z. Highly C-axis oriented LiNbO3 thin film on amorphous SiO2 buffer layer and its growth mechanism Chinese Science Bulletin. 2003;48: 2290–2294. https://doi.org/10.1360/03ww0053

Maurel A., Mercier J.-F., Lund F. Lund scattering of an elastic wave by a single dislocation. The Journal of the Acoustical Society of America. 2004;115(6): 2773–2780. https://doi: 10.1121/1.1687735

Hewig G. M., Jain K., Sequeda F. O., Tom R., Wang P.-W. Sputtering of LiNbO3. Thin Films Thin Solid Films. 1982; 88: 67–74. https://doi.org/10.1016/0040-6090(82)90351-0

Paldi R. L., Qi Z., Misra S., … Wang H. Nanocomposite-seeded epitaxial growth of single-domain lithium niobate thin films for surface acoustic wave devices. Advanced Photonics Research. 2021;2: 2000149. https://doi.org/10.1002/adpr.202000149

Ievlev, V. M., Belonogov E. K., Dybov V. A., … Sumets M. P. Synthesis of lithium niobate during crystallization of amorphous Li–Nb–O film. Inorganic Materials. 2019;55(12): 1237–1241. https://doi.org/10.1134/S0020168519120069

Shandilya S., Tomar M., Gupta V. Deposition of stress free c-axis oriented LiNbO3 thin film grown on (002) ZnO coated Si substrate. Journal of Applied Physics. 2012;111: 10–16. https://doi.org/10.1063/1.4714664

Fakhri M. A., Salim E. T., Hashim U., Abdulwahhab A. W., Salim Z. T. Annealing temperature effect on structural and morphological properties of nano photonic LiNbO3. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2017;28: 16728–16735. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7586-y

Zhu N., Chen J., Zhou P., Zhu Y. Effect of the anisotropy mechanical properties on LN crystals fixed-abrasive lapping Materialsю 2020;13(19): 4455. https://doi.org/10.3390/ma13194455

Fries E., Péter A. Plastic deformation of LiNbO3 single crystalsю Revue de Physique Appliquée. 1987;22(11): 1353–1359. https://doi.org/10.1051/rphys-ap:0198700220110135300

Péter Á., Fries E., Rivière J. P. TEM observation of plastically induced dislocations in lithium niobate LiNbO3 single crystals. Physica Status Solidi (a). 1991;128(1): 45–53. https://doi.org/10.1002/pssa.2211280106

Xie H., Lu Y.-C., Raj R. Transmission electron microscopy study of microstructure and misfit dislocations in epitaxial LiTaO3 thin films grown on sapphire by a metalorganic chemical vapor deposition process Journal of Applied Physics. 1996;79(7): 3675–3680. https://doi.org/10.1063/1.361197

Veignant F., Gandais M., Aubert P., Guy G. Epitaxial growth of LiNbO3 on αAl2O3 (0001). Thin Solid Films. 1998;336:(1-2): 163–167. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01222-X

Bartasyte A., Plausinaitiene V., Abrutis A., … Saltyte Z. Residual stresses and clamped thermal expansion in LiNbO3 and LiTaO3 thin films. Applied Physics Letters. 2012;101: 122902. https://doi.org/10.1063/1.4752448

Иевлев В. М., Канныкин С. В., Костюченко А. В., Белоногов Е. К., Путляев В. И. Об информативности рентгеновских дифрактограмм в виде гало. Неорганические Материалы. 2020:56(8): 906–913. https://doi.org/10.31857/s0002337x20080059

Shiozaki Y., Mitsui T. Powder neutron diffraction study of LiNbO3. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1963;24: 1057–1061. https://doi.org/10.1016/0022-3697(63)90012-x

Ievlev V. M., Kostyuchenko A. V., Darinskii B. M., Barinov S. M. Hardness and microplasticity of nanocrystalline and amorphous calcium phosphate coatings. Physics of the Solid State. 2014;56(2): 321–329. https://doi.org/10.1134/s1063783414020127

Nakamura M., Fujiyama H., Sumomogi T. Effects of material properties on ductile mode machining in ultraprecision grinding of lithium niobate. Hiroshima International University Research Report. 2012;45: 11–20. Available at: https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=a25d14fe8a5e8d01a7d1aad2ec1c522e

Hall E. O. Variation of hardness of metals with grain size. Nature. 1954; 173: 948–949. https://doi.org/10.1038/173948b0

Kim B.-N., Hiraga K., Sakka Y., Ahn B.-W. A grainboundary diffusion model of dynamic grain growth during superplastic deformation. Acta Materialia. 1999;47(12): 3433–3439. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(99)00201-3