Effect of electron channeling in the crystal lattice of radiant spherulites

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents the results of the microstructure study of spherulitic islands in thin films of lead zirconate titanate, characterized by either a non-uniform radial rotation of the crystal lattice (radiant microstructure) or a uniform rotation, which allows one to detect Kikuchi lines of electron channeling. Thin lead zirconate titanate films were obtained by a two-stage method of radio-frequency magnetron sputtering of a ceramic target: deposition onto a «cold» platinized silicon and glassceram substrates, followed by high-temperature annealing to obtain islands of the perovskite phase surrounded by a matrix of the low-temperature pyrochlore phase. To study the cross section, a lamella was prepared, the study of the microstructure of which showed that the rotation of the crystal lattice in the perovskite spherulite occurs uniformly throughout the entire thickness, and it is not a manifestation of some near-surface effects. It was found that the rate of rotation of the crystal lattice in spherulites with a radial-radiant structure is approximately two times less than in spherulites with a radially uniform rotation; a model of translational rotation of the crystal lattice with the formation of dislocations and partial relaxation of mechanical stresses is proposed; it is assumed that the lattice rotation velocity is limited by the elasticity limit of the thin film. It is assumed that the Kikuchi image in spherulitic islands consisting of crystalline grains is determined by both the identical growth texture and the orientational correlation of the grains in the plane of the film; an analysis and interpretation of Kikuchi electron channeling lines has been carried out, which makes it possible to determine the orientation of the crystal lattice planes and growth axes in thin films.

About the authors

Mikhail V. Staritsyn

NRC «Kurchatov institute» - CRISM «Prometey»

Engineer

Vladimir P. Pronin

Herzen University

Dr. Sc., Docent, Professor of the Department of Theoretical Physics and Astronomy

Iosef I. Khinich

Herzen University

Dr. Sc., Docent, Professor of the Department of Physical Electronics

Artemy N. Krushelnitsky

Herzen University

Ph. D., Docent of the Department of Methods of Teaching Physics

Stanislav V. Senkevich

Herzen University; Ioffe Institute

Ph. D., Senior Researcher, Ioffe Institute; PhD in Physics, Researcher, Herzen University

Evgeny Y. Kaptelov

Ioffe Institute

Ph. D., Senior Researcher

Igor P. Pronin

Ioffe Institute

Email: pronin.v.p@yandex.ru
Dr. Sc., Senior Researcher, Leading Researcher

References

  1. Shtukenberg, A.G. Spherulites /A.G. Shtukenberg, Y.O. Punin, E. Gunn, B. Kahr // Chemical Reviews. - 2012. - V. 112. - I. 3. - P. 1805-1838. doi: 10.1021/cr200297f.
  2. Shtukenberg, A.G. Growth actuated bending and twisting of single crystals /A.G. Shtukenberg, Yu.O. Punin, A. Gujral, B. Kahr // Angewandte Chemie International Edition. - 2014. - V 53. - I. 3. - P. 672-699. doi: 10.1002/anie.201301223.
  3. Kolosov, V.Yu. Transmission electron microscopy studies of the specific structure of crystals formed by phase transition in iron oxide amorphous films / V.Yu. Kolosov, A.R. Thö1én // Acta Materialia. - 2000. - V. 48. - I. 8. - P. 1829-1840. doi: 10.1016/S1359-6454(99)00471-1.
  4. Жигалина, O.M. Структурные особенности пленок ЦТСЛ / O.M. Жигалина, Д.Н., Хмеленин, Ю.А. Валиева и др. // Кристаллография. - 2018. - Т. 63. - Вып. 4. - С. 620-629. doi: 10.1134/S0023476118040318.
  5. Lutjes, N.R. Spherulitic and rotational crystal growth of Quartz thin films / N.R. Lutjes, S. Zhou, J. Antoja-Lleonart et al. / Scientific Reports. - 2021. - V. 11. - I. 1. - Art. № 14888. - 12 p. doi: 10.1038/s41598-021-94147-y.
  6. Musterman, E.J. Curved lattices of crystals formed in glass / E.J. Musterman, V. Dierolf, H. Jain // International Journal of Applied Glass Science. - 2022. - V. 13. - I. 3. - P. 402-419. doi: 10.1111/ijag.16574.
  7. Sun, W. Growth mechanism and microstructures of Cu2O/PVP spherulites / W. Sun, W. Zhou // RSC Advances. - 2022. - V. 12. - I. 31. - P. 20022-20028. doi: 10.1039/d2ra03302j.
  8. Елшин, А.С. Нелинейно-оптическая диагностика поликристаллических тонких плёнок цирконата-титаната свинца / А.С. Елшин, И.П. Пронин, С.В. Сенкевич, Е.Д. Мишина / Письма в журнал технической физики. - 2020. - Т. 46. - Вып. 8. - С. 32-35. doi: 10.21883/PJTF.2020.08.49306.18142.
  9. Da, B. Cylindrically symmetric rotating crystals observed in crystallization process of InSiO film / B. Da, L. Cheng, X. Liu et al. / Science and Technology of Advanced Materials: Methods. - 2023. - V. 3. - I. 1. - Art. № 2230870. - 14 p. doi: 10.1080/27660400.2023.2230870I.
  10. Elshin, A. Nonlinear optics for crystallographic analysis in lead zirconate titanate / A. Elshin, M. Staritsyn, I. Pronin et al. / Coatings. - 2023. - V. 13. - I. 2. - Art. № 247. - 12 p. doi: 10.3390/coatings13020247.
  11. Старицын, М.В. Особенности микроструктуры и свойств тонких сферолитовых пленок ЦТС, сформированных двухстадийным методом высокочастотного магнетронного осаждения / М.В. Старицын, Д.А. Киселев, В.П. Пронин и др. / Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 196-206. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.196.
  12. Старицын, М.В. Микроструктура сферолитовых тонких пленок цирконата-титаната свинца / М.В. Старицын, В.П. Пронин, И.И Хинич и др. // Физика твердого тела. - 2023. - Т. 65. - Вып. 8. - С. 1368-1374. doi: 10.21883/FTT.2023.08.56155.140.
  13. Alkoy, E.M. The effect of crystallographic orientation and solution aging on the electrical properties of sol-gel derived Pb(Zr0.45Ti0.55)O3 thin films / E.M. Alkoy, S. Alkoy, T.Shiosaki // Ceramic International. - 2007. - V. 33. - I. 8. - P. 1455-1462. doi: 10.1016/j.ceramint.2006.06.010.
  14. Старицын, М.В. Аномальное электронное каналирование в тонких пленках ЦТС / М.В. Старицын // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2023. - Т. 25. - № 4. - С. 572-580. doi: 10.17308/kcmf.2023.25/11481.
  15. Nazeer, H.Compositional dependence of the Young's modulus and piezoelectric coefficient of (110)-oriented pulsed laser deposited PZT thin films / H. Nazeer, M.D. Nguyen, O.S. Sukas et al. // Journal of Microelectromechanical Systems. - 2015. - V. 24. - I. 1. - P. 166-173. doi: 10.1109/jmems.2014.2323476.
  16. Bartolomé, J. In-situ scanning electron microscopy and atomic force microscopy Young's modulus determination of indium oxide microrods for micromechanical resonator applications /j. Bartolomé, P. Hidalgo, D. Maestre // Applied Physics Letters. - 2014. - V. 104. - I. 16. - P. 161909-1-161909-5. doi: 10.1063/1.4872461.
  17. Yagnamurthy, S. Mechanical and ferroelectric behavior of PZT-based thin films / S. Yagnamurthy, I. Chasiotis, J. Lambros et al. // Journal of Microelectromechanical Systems. - 2011. - V. 20. - I. 6. - P. 1250-1258. doi: 10.1109/JMEMS.2011.2167666.
  18. Афанасьев, В.П. Особенности поведения конденсаторных структур на основе пленок цирконата-титаната свинца с избытком окиси свинца / В.П. Афанасьев, Г.Н. Мосина, А.А, Петров и др. // Письма в журнал технической физики. - 2001. - Т. 27. - Вып. 11. - С. 56-63.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».