ТОНКИЕ ПЛЕНКИ НОВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ОДНОКОМПОНЕНТНОГО СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА 2-МЕТИЛБЕНЗИМИДАЗОЛА

Предмет исследования.Представлены результаты структурных и диэлектрических исследований пленок органического сегнетоэлектрика 2-метилбензимидазола (MBI). Метод. Пленки выращивались на металлических (золото, алюминий, платина) и диэлектрических (галлат неодима (NdGaO₃), лейкосапфир (Al₂O₃), плавленый и кристаллический кварц (SiO₂), германат висмута (Bi₁₂GeO₂₀)) подложках. Пленки получались двумя методами: нанесением на подложку раствора в этиловом спирте кристаллов 2-метилбензимидазола с последующим испарением спирта; возгонкой при температуре около 375 К при атмосферном давлении. Исследования кристаллографической ориентации выполнены с использованием рентгеновского дифрактометра «ДРОН-3», а блочная структура пленок определена с использованием поляризационного микроскопа «ЛабоПол-3». Слабосигнальный диэлектрический отклик получен с использованием цифрового измерителя LCR«MIT9216A», а сильносигнальный диэлектрический отклик – по схеме Сойера–Тауэра. Основные результаты. Показано, что полученные методом испарения пленки являются сплошными и текстурированными. Структура получаемой пленки зависит от концентрации раствора. Пленки могут состоять из блоков, представляющих собой расщепленные кристаллы типа сферолита. Компоненты спонтанной поляризации в таких пленках направлены как перпендикулярно плоскости пленки, так и в ее плоскости. Получены также структуры, состоящие из монокристаллических блоков, компоненты спонтанной поляризации в которых лежат в плоскости пленки. Размеры блоков составляют от нескольких единиц до сотен микрометров. Пленки, полученные методом возгонки, являются аморфными либо дендритными. Показано, что диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь полученных пленок возрастают при нагреве. В диапазоне температур 291–379 К наблюдаются петли диэлектрического гистерезиса. При увеличении температуры и неизменной амплитуде внешнего электрического поля остаточная поляризация возрастает и может достигать 4,5 мкКл/см², а коэрцитивное поле не изменяется. Высказано предположение, что это явление объясняется увеличением числа кристаллитов с переключающейся поляризацией из-за уменьшения коэрцитивного поля при нагреве. Остаточная поляризация уменьшается с увеличением частоты переменного поля. Практическая значимость. Предложенный метод получения сегнетоэлектрических пленок характеризуется простотой и дешевизной. Пленки не содержат, в отличие от многих других сегнетоэлектриков, свинец и редкие металлы. Полученные пленки 2-метилбензимидазола обладают низкими значениями коэрцитивных полей. Результаты работы могут быть полезны разработчикам изделий электроники.

1. Horiuchi S., Ishii F., Kumai R. et al. Ferroelectricity near room temperature in co-crystals of nonpolar organic molecules // Nature Materials. 2005. V. 4. N 2. P. 163–166. doi: 10.1038/nmat1298
2. Horiuchi S., Tokura Y. Organic ferroelectrics // Nature Materials. 2008. V. 7. N 5. P. 357–366. doi: 10.1038/nmat2137
3. Horiuchi S., Kagawa F., Hatahara K. et al. Above-room-temperature ferroelectricity and antiferroelectricity in benzimidazoles // Nature Communications. 2012. V. 3. Art. 2322. doi: 10.1038/ncomms2322
4. Fu D.-W., Cai H.-L., Liu Y. et al. Diisopropylammonium bromide is a high-temperature molecular ferroelectric crystal // Science. 2013. V. 339. N 6118. P. 425–428. doi: 10.1126/science.1229675
5. Li J., Liu Y., Zhang Y., Cai H.-L., Xiong R.-G. Molecular ferroelectrics: where electronics meet biology // Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. V. 15. N 48. P. 20786–20796. doi: 10.1039/c3cp52501e
6. Thompson N.J., Jandl A.C., Spalenka J.W., Evans P.G. Thin films of a ferroelectric phenazine/chloranilic acid organic cocrystal // Journal of Crystal Growth. 2011. V. 327. P. 258–261. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2011.05.027
7. Gao W., Chang L., Ma He et al. Flexible organic ferroelectric films with a large piezoelectric response // NPG Asia Materials. 2015. V. 7. Art. e189. doi: 10.1038/am.2015.54
8. Noda Y., Yamada T., Kobayashi K., et al. Few-volt operation of printed organic ferroelectric capacitor // Advanced Materials. 2015. V. 27. N 41. P. 6475–6481. doi: 10.1002/adma.201502357
9. Obodovskaya A.E., Starikova Z.A., Belous S.N., Pokrovskaya I.E. Crystal and molecular structure of 2-methylbenzimidazole // Journal of Structural Chemistry. 1991. V. 32. N 3. P. 421–422. doi: 110.1007/BF00745764
10. Zielinski W., Katrusiak A. Colossal monotonic response to hydrostatic pressure in molecular crystal induced by a chemical modification // Crystal Growth and Design. 2014. V. 14. N 9. P. 4247–4253. doi: 10.1021/cg5008457
11. Balashova E.V., Krichevtsov B.B., Lemanov V.V. Ferroelectric betaine phosphite films: growth, optical imaging, and dielectric properties // Journal of Applied Physics. 2008. V. 104. N 12. Art. 126104. doi: 10.1021/cg5008457
12. Balashova E.V., Krichevtsov B.B., Pankova G.A., Lemanov V.V. Structural and dielectric properties of glycine phosphite thin films // Ferroelectrics. 2012. V. 433. N 1. P. 138–145. doi: 10.1080/00150193.2012.696414
13. Балашова Е.В., Кричевцов Б.Б, Свинарев Ф.Б, Леманов В.В. Cегнетоэлектрические пленки дейтерированного глицинфосфита: структура и диэлектрические свойства // ФТТ. 2013. Т. 55. № 5. С. 916–922.  doi: 10.1134/S106378341305003X
14. Балашова Е.В., Кричевцов Б.Б, Юрко Е.И., Панкова Г.А. Диэлектрические свойства тонких пленок частично дейтерированногобетаинфосфита с крупно- и мелкоблочной структурой // ФТТ. 2014. Т. 56. № 10. С. 1934–1940.  doi: 10.1134/S1063783414100059
15. Balashova E.V., Krichevtsov B.B. Ferroelectric thin films of betaine phosphite, glycine phosphite and of their deuterated analogs // Ferroelectrics. 2014. V. 469. N 1. P. 26–42. doi: 10.1080/00150193.2014.948347
16. Балашова Е.В., Кричевцов Б.Б, Зайцева Н.В, Юрко Е.И., Свинарев Ф.Б. Диэлектрические и структурные свойства сегнетоэлектрических пленок бетаинарсената // ФТТ. 2014. Т. 56. № 12. С. 2376–2383. doi:  10.1134/S1063783414120038
17. Балашова Е.В., Кричевцов Б.Б, Юрко Е.И, Свинарев Ф.Б., Панкова Г.А. Диэлектрические свойства сегнетоэлектрических кристаллов бетаинфосфита с высокой степенью дейтерирования // ФТТ. 2015. Т. 57. № 12. С. 2313–2318. doi: 10.1134/S1063783415120082 
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License