WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

До сих пор предполагалось, что эволюция внутреннего поля смещения Eb(t) происходит однородно во всей переключаемой области образца. Однако, было показано, что пространственно неоднородное изменение Eb может приводить к значительным изменениям в кинетике ДС. В частности, на основе этой идеи был предложен новый кинетический подход к описанию эффекта усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках и керамике Pb(Zr,Ti)O3.

Таким образом, детальное исследование кинетики ДС в LN и LT при переключении в однородном внешнем электрическом поле позволило получить ряд интересных результатов.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей эволюции ДС при переключении с ППЭ на примере CLN. Были выявлены следующие стадии эволюции ДС при приложении внешнего электрического поля к ППЭ (Рис. 8). Переключение начинается с образования зародышей под краями металлических полосок (Рис. 8а), что обусловлено краевым эффектом – наличием максимумов сингулярного характера в распределении полярной компоненты внешнего поля вблизи Рис. 7. Зависимость относительной доли объема образца, переключившейся в результате самопроизвольного обратного переключения, от времени выдержки образца во внешнем электрическом поле после окончания прямого переключения в CLN. Обработка экспериментальных результатов, полученных Майерсом [10].

Рис. 8. Схема основных стадий эволюции ДС при переключении с ППЭ.

поверхности образца вдоль границ электродов. Далее происходит прямое прорастание клиновидных доменов через образец (Рис. 8б) и слияние изолированных доменов под электродами за счет бокового роста (Рис. 8в). В результате образуется полосовая ПДС, и процесс переключения продолжается за счет движения плоских доменных стенок за пределы электродов (Рис. 8в), которое может быть прекращено, если уменьшить внешнее электрическое поле (Рис. 8г). Выключение внешнего поля может приводить к самопроизвольному обратному переключению как под электродами, так и за их пределами (Рис. 8д).

Непосредственная визуализация ДС с достаточным разрешением при переключении с ППЭ пока не реализована, однако некоторая информация о кинетике ДС может быть получена из анализа результатов интегральных измерений. В частности, математическая обработка тока переключения позволила получить такие важные параметры кинетики ДС, как скорость прямого прорастания и скорость бокового роста изолированных доменов под краями электродов. Численные значения этих параметров при переключении во внешнем поле 220 кВ/см составили vd 380 мм/с и vs 0.5 мм/с соответственно. Таким образом, скорость прямого прорастания более чем на два порядка превышает скорость бокового роста.

Наиболее интересные результаты были получены при переключении в режиме ограничения по току, когда разность потенциалов на обкладках образца, определяющая среднее внешнее поле в образце, автоматически подстраивается таким образом (Рис 9а), что ток переключения не превышает определенной величины (Рис. 9б). Анализ временной зависимости поля, прикладываемого к образцу на стадии движения доменных стенок за пределы электродов (Рис. 8в), показал, что до 80% деполяризующего поля, создаваемого "шлейфом" нескомпенсированного связанного заряда, образующегося за движущимися доменными стенками, экранируется механизмами, отличными от внешнего экранирования и объемной проводимости. В качестве альтернативных механизмов были предложены: инжекция заряда через искусственный диэлектрический слой и поверхностная проводимость. Обработка спадающей части тока переключения (Рис. 9б) позволила получить зависимость скорости бокового движения доменных стенок за пределы элек- Рис. 9. Зависимость (а) среднего внешнего поля в образце и (б) тока переключения от времени при переключении CLN с ППЭ в режиме ограничения по току.

тродов от величины локального электрического поля Eloc (Рис. 10). Была получена линейная полевая зависимость и определены ее основные параметры – подвижность стенок µ = 0.3410-5 см2/Вс и пороговое поле Eth = 214 кВ/см:

vs ( Eloc ) = µ( Eloc - Eth ) (6) Как уже было показано, ДС CLN нестабильна в течение 50 мс после окончания процесса переключения, что приводит к самопроизвольному обратному переключению после выключения поля (Рис. 7). Были выявлены два основных сценария эволюции ДС при самопроизвольном обратном переключении в образце с полосовой ПДС в зависимости от длительности переключающих импульсов.

В случае коротких импульсов поля обратное переключение происходит преимущественно за пределами электродов за счет обратного движения плоских доменных стенок, сформировавшихся в процессе прямого переключения. В некоторых случаях наблюдается более сложный процесс с качественным изменением формы доменной границы, сопровождающийся формированием и распространением фронта, представляющего собой квазипериодическую структуру своеобразных доменных пальцев (Рис. 11).

Рис. 10. Полевая зависимость скорости бокового движения доменных стенок в CLN, полученная из анализа тока переключения. Экспериментальные точки аппроксимированы зависимостью (6).

Рис. 11. Особенности движения доменных стенок при самопроизвольном обратном переключении в CLN с ППЭ. Оптическая визуализация рельефа травления на наклонных сечениях. Разные стадии соответствуют различной глубине сечения.

При более длинных импульсах переключающего поля обратное переключение происходит преимущественно под электродами и всегда начинается с образования зародышей под краями электродов (Рис. 12). При анализе их пространственного распределения была обнаружена четко выраженная корреляция в расстоянии между соседними зародышами. Для ДС, представленной на Рисунке 12, среднее расстояние составило 0.9 мкм, что соответствует линейной плотности вдоль края электродов 1100 мм-1. Было показано, что клиновидные домены, образующиеся при обратном переключении, существенно несквозные и их глубина, как правило, не превышает 100 мкм.

Следующей стадией обратного переключения под электродами является слияние изолированных доменов, при котором наблюдается эффект умножения пространственной частоты ДС по отношению к пространственной частоте электродов (Рис. 13). Если обратное переключение заканчивается после слияния доменов только под краями электродов (Рис. 13а,б), то наблюдается утроение пространственной частоты ДС. Если обратное переключение под электродами происходит полностью (Рис. 13в,г), то наблюдается удвоение частоты. Наиболее интересный результат был получен, когда вместо движения доменных стенок, сформировавшихся при обратном переключении под краями электродов, наблюдалось образование новых цепочек доменов на некотором расстоянии от края электрода за его пределами (Рис. 13д). В этом случае происходит пятикратное увеличение пространственной частоты ДС. Таким образом, здесь наблюдается проявление эффекта коррелированного зародышеобразования, когда появление зародышей происходит на фиксированном расстоянии от существующих доменных стенок.

Рис. 12. Коррелированное зародышеобразование под краями электродов при самопроизвольном обратном переключении в CLN с ППЭ. Оптическая визуализация рельефа травления.

Рис. 13. Умножение пространственной частоты ДС по отношению к пространственной частоте ППЭ в CLN. Утроение частоты: (а) z+ поверхность и (б) y сечение. Удвоение частоты: (в) z+ поверхность и (г) y сечение.

Пятикратное умножение частоты: (д) z+ поверхность. Оптическая визуализация (а), (б), (в) рельефа травления и (г) скола; (д) визуализация рельефа травления с помощью SEM.

Для объяснения механизма коррелированного зародышеобразования был проведен расчет пространственного распределения локального поля вблизи плоской доменной стенки (Рис. 14). Оказалось, что вблизи поверхности образца в распределении поля наблюдается локальный максимум на расстоянии порядка толщины поверхностного диэлектрического зазора, который объясняет наблюдаемый эффект коррелированного зародышеобразования. Расстояние между первичными и вторичными доменными полосками, возникающими при наблюдении эффекта пятикратного увеличения пространственной частоты ДС (Рис. 13д), совпадает с толщиной фоторезиста (1 мкм), выступающего в роли искусственного диэлектрического слоя при переключении в пространстве между электродами.

Такое соответствие подтверждает правильность проведенного расчета.

Рис. 14. Особенности распределения локального поля вблизи плоской доменной стенки. Расстояние от доменной стенки приведено в единицах толщины поверхностного диэлектрического зазора L.

Таким образом, несмотря на прикладной характер задачи о переключении с ППЭ, полученные результаты имеют существенное значение для понимания кинетики ДС. Удалось получить интересные сведения об экранировании деполяризующих полей, измерить полевую зависимость скорости бокового движения доменной стенки и обнаружить эффект коррелированного зародышеобразования.

Вместе с тем, был получен также ряд результатов, важных и с точки зрения применения. Эффект умножения пространственной частоты ДС при обратном переключении может быть использован при создании ПДС с малым периодом.

Пятая глава посвящена изучению особенностей проявления эффекта коррелированного зародышеобразования при переключении с искусственным диэлектрическим слоем. Этот эффект приводил к формированию упорядоченных квазипериодических ДС в различных экспериментальных ситуациях.

При самопроизвольном обратном переключении в области за пределами электродов под слоем диэлектрика (фоторезиста) в процессе создания ПДС в CLN в некоторых случаях вместо движения доменных стенок при обратном переключении происходило формирование достаточно сложной квазипериодической ДС.

Эта структура состоит из ориентированных рядов нанодоменов с размерами отдельных доменов порядка 30-100 нм и линейной плотностью в ряду порядка 104 мм-1 (Рис. 15). Наблюдалось две различных ориентации рядов: вдоль y– направлений (под углом 60 градусов по отношению к электродам, Рис. 15а) и вдоль x+ и x– направлений (под углами 30 и 90 градусов, Рис. 15б).

Образование дендритных ДС наблюдалось при самопроизвольном обратном переключении в LN:Mg (Рис. 16,17) в областях, покрытых слоем диэлектрика. Как и в предыдущем случае, здесь наблюдался ориентированный рост рядов нанодоменов, распространяющихся от границы переключенной области (Рис. 16а,17). Однако, если этот рост сопровождался значительным удалением от границы, то ориентация отдельных ветвей становилась более произвольной, что приводило к формированию сложной дендритной структуры (Рис. 16б). Исследования в PRIM моде SPM показали, что дендритные ДС локализованы вблизи поверхности (Рис. 17б).

(а) (б) Рис. 15. Образование ориентированных вдоль (а) y– и (б) x направлений рядов нанодоменов при самопроизвольном обратном переключении в CLN с ППЭ. Визуализация рельефа травления с помощью (а) SEM и (б) AFM.

(а) (б) Рис. 16. Дендритные ДС в LN:Mg, образовавшиеся в результате самопроизвольного обратного переключения под диэлектрическим слоем. Жидкий электрод. Оптическая визуализация рельефа травления.

(а) (б) Рис. 17. Визуализация дендритной ДС в LN:Mg с помощью SPM: (а) AFM, (б) PRIM.

(а) (б) Рис. 18. Структуры микродоменов в SLT с искусственным диэлектрическим слоем, полученные в результате прямого переключения: (а) z+ и (б) z– поверхности. Оптическая визуализация рельефа травления.

Самоорганизованное формирование микродоменных структур в форме паутины наблюдалось при прямом переключении в образцах SLT вблизи точечных нарушений искусственного диэлектрического слоя (фоторезиста) (Рис. 18). В отличие от предыдущих случаев, структура начинала расти не от границы переключенной области, а из точечного центра, что приводило к формированию более правильной, с точки зрения симметрии, доменной конфигурации. Среднее расстояние между изолированными доменами в этой структуре порядка 2 мкм соответствует толщине диэлектрического слоя, что подтверждает ведущую роль механизма коррелированного зародышеобразования в формировании структуры. Было обнаружено, что такая ДС образуется только на z+ поверхности, покрытой слоем диэлектрика. Сквозные домены, проросшие до z– поверхности, продолжают расти в боковом направлении в виде правильных шестиугольников, что, объясняется различными условиями внешнего экранирования и отсутствием на z– диэлектрического слоя. Таким образом, можно сделать вывод о том, что формирование таких структур обусловлено не только существованием максимума переключающего поля вблизи доменных стенок (Рис. 14), но также и подавлением эффектов внешнего экранирования деполяризующего поля, препятствующего росту изолированных доменов. Кроме того, необходимо отметить, что большую роль в формировании упорядоченных квазипериодических структур играет анизотропия эффекта коррелированного зародышеобразования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ В результате комплексного исследования (с использованием локальных и интегральных методов) эволюции доменной структуры в электрическом поле в конгруэнтных, стехиометрических и легированных монокристаллах ниобата лития и танталата лития были получены следующие основные результаты:

1. Совокупность полученных экспериментальных результатов объяснена в рамках единого подхода, базирующегося на рассмотрении процесса переключения, как фазового перехода первого рода. При этом рост доменов с выгодным направлением поляризации происходит за счет термостимулированного зародышеобразования, вероятность которого определяется величиной локального электрического поля.

2. Расчет особенностей пространственного распределения локального поля позволил объяснить замедление бокового движения доменных стенок перед коалесценцией, эффект коррелированного зародышеобразования и кинетику доменной структуры при самопроизвольном обратном переключении.

3. Аномальная кинетика доменной структуры в конгруэнтном танталате лития (большая плотность зародышей и треугольная форма доменов) может быть отнесена за счет чрезвычайно медленного объемного экранирования. Это приводит к замедлению роста изолированных доменов и определяющей роли коалесценции.

4. Увеличение плотности зародышеобразования при циклическом переключении в ниобате лития, легированном магнием, и после рентгеновского облучения в стехиометрическом танталате лития обусловлено существованием микровключений неполярной фазы.

5. Показано, что скорость бокового движения доменных стенок лимитируется генерацией микроступеней на стенках. Полевая зависимость скорости измерена прямыми методами для переключения со сплошными электродами и из анализа тока переключения при переключении с полосовыми периодическими электродами. Определена скорость прямого прорастания доменов.

6. Детально исследован эффект самопроизвольного обратного переключения под действием внутреннего поля смещения. С помощью оригинальной методики измерено изменение этого поля.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»