WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Куминов подготовил образцы молибдата гадолиния с одиночной плоской доменной стенки. Оборудование для проведения экспериментов по переключению объемной керамики было предоставлено профессором D. Lupascu.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 188 страниц, включая 85 рисунков, 1 таблицу и библиографию из 195 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи работы, определен объект исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Кратко изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Приведены сведения об апробации работы, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

Первая глава является обзорной. В ней рассмотрены основные модельные представления о кинетике доменной структуры сегнетоэлектриков при приложении внешнего электрического поля. Представлен обзор основных методов исследования процесса переключения поляризации: способы визуализации доменной структуры, и измерения локальных и интегральных характеристик. Рассмотрены эффекты экранирования деполяризующего поля. Особое внимание уделено обзору работ, посвященных исследованиям кинетики внутреннего поля смещения, и ее влиянию на процесс переключения.

Приводится обзор экспериментальных результатов исследования циклического переключения в различных сегнетоэлектриках. Рассмотрены основные физические свойства исследуемых материалов.

Принято считать, что переключение поляризации происходит за счет термоактивационного зародышеобразования, движущей силой которого является макроскопическое электрическое поле, усредненное по объему зародыша [1]. Это поле содержит вклады от внешнего приложенного поля и внутреннего поля, образующегося при медленном объемном экранировании остаточного деполяризующего поля. Причиной существования остаточного деполяризующего поля является неполное внешнее экранирование, вызванное наличием диэлектрического слоя на поверхности сегнетоэлектрикэлектрод [2]. Внутреннее поле смещения стабилизирует существующую доменную структуру и является причиной эффектов старения (aging) и импринта (imprint), проявляющихся в сдвиге или расщеплении петли гистерезиса [3].

Основным методом исследования сегнетоэлектрических свойств является измерение петли диэлектрического гистерезиса (полевой зависимости переключаемого заряда) в медленно меняющемся поле. Анализ формы петель гистерезиса, базируется на подходе Прейзаха, предложенном для ферромагнетиков [4], и впервые использованном для описания сегнетоэлектриков А.В. Туриком [5]. Знание двумерной функции распределения Прейзаха (по коэрцитивному и внутреннему полю) позволяет рассчитывать как полные, так и частные петли гистерезиса. Экспериментальные методы определения этой функции основаны на измерении и математическом анализе серии частных петель, что затрудняет использование этих методов при изучении эффектов циклического переключения. Не уделяется должного внимания анализу тока переключения в растущем поле, который позволяет характеризовать пространственную неоднородность переключения по результатам однократного измерения.

Работы по исследованию циклического переключения в основном носят прикладной характер и посвящены эффекту усталости (fatigue) – уменьшению переключаемого заряда) в объемной керамике [6] и тонких пленках [7]. Они посвящены разработке новых и усовершенствовании уже известных методов изготовления структур с тонкими сегнетоэлектрическими пленками для улучшения их устойчивости к эффекту усталости. Показано, что эффект усталости приводит к изменению доменной структуры (появлению "замороженных" доменов) [8,9], однако кинетика доменной структуры в процессе циклического переключения практически не изучена.

Предложено несколько феноменологических моделей для объяснения эффекта усталости: (1) пининг доменных стенок в объеме или подавление зародышеобразования вблизи поверхности сегнетоэлектрик-электрод [10], (2) увеличение толщины диэлектрического слоя [11], (3) образование микротрещин и разрушение электродов [12]. В качестве микроскопических механизмов пининга доменных стенок и подавления зародышеобразования рассматриваются: перераспределение заряженных дефектов (например, вакансий кислорода) [13], миграция свободных носителей заряда [14] и инжекция носителей через диэлектрический зазор [7]. Все эти механизмы имеют электрическую природу и относятся к механизмам внутреннего экранирования.

Следует отметить, что в данной работе не рассматривались модели (2) и (3), имеющие необратимый характер.

Для обратимого эффекта усталости характерны менее исследованные эффекты: восстановление (rejuvenation) исходных характеристик при увеличении амплитуды внешнего поля [15,16] и формовки (wake-up) [17] – увеличения переключаемого заряда в начале циклического переключения.

Вторая глава является методической. Приведено описание экспериментальных установок, использованных при исследовании процессов циклического переключения в монокристаллах, объемной керамике и тонких пленках. Подробно описаны методики эксперимента, а также характеристики исследуемых образцов и способы их получения.

Циклическое смещение одиночной плоской доменной стенки (ПДС) исследовано в образцах несобственного сегнетоэлектрика-сегнетоэластика молибдата гадолиния Gd2(MoO4)3 (ГМО) с искусственно созданной ПДС, движение которой ограничивалось с помощью специальной конфигурации прозрачных оксидных электродов. Исследовались как номинально однородные кристаллы, так и образцы с искусственными объемными дефектами (неполярными включениями), играющими роль центров пининга ПДС. Для исследования использовались прямая визуализация доменной структуры в поляризационном оптическом микроскопе с последующим анализом последовательных изображений и одновременное измерение тока переключения.

Циклическое переключение исследовалось также в объемной керамике цирконата-титаната свинца (ЦТС) коммерческого состава PICPb0.99[Zr0.45Ti0.47(Ni0.33Sb0.67)0.08]O3 (PI Ceramics GmbH, Германия) с электродами из отожженной Ag пасты. Исследованные образцы имели коэрцитивное поле около 1 кВ/мм. Циклическое переключение проводилось в переменном электрическом поле на частоте 50 Гц. Для одновременного измерения переключаемого заряда (поляризации) P(E) и пьезоэлектрической деформации S(E) к образцу прикладывались импульсы поля треугольной формы длительностью 25 с до и после циклического переключения. Измерения пространственного распределения малосигнального пьезоэлектрического коэффициента d33 проводилось в квазистатическом режиме при приложении к образцу суперпозиции постоянного поля (от 0 до ±2 кВ/мм) и малого переменного поля (1 В/мм, 1 кГц). Использование синхронного детектора позволило выделить переменную составляющую смещения и измерять петли гистерезиса малосигнального пьезоэлектрического коэффициента d33(E). Локализация измерений составляла 0.1 – 0.5 мм. Установка была полностью автоматизирована с использованием программы, разработанной в среде LabVIEW.

Тонкие пленки ЦТС состава Pb(ZrxTi1-x)O3, x = 0.2 – 0.45, использованные для исследования циклического переключения были изготовлены методами золь-гель с Pt электродами (Institute of Materials in Electrical Engineering, RWTH Aachen, г. Аахен, Германия) и химического осаждения из газовой фазы с Pt и Ir электродами (Texas Instruments, США). Площадь верхних электродов составляла от 2·10–3 до 1 мм2. Циклическое переключение производилось в импульсах напряжения прямоугольной формы (3 – 15 В, 10 – 106 Гц).

Для измерения тока переключения j(t) до и после циклического переключения в импульсах напряжения треугольной формы (3 – 15 В, 1 – 100 Гц) использовалась "схема виртуальной земли". Реверсивная диэлектрическая проницаемость измерялась с помощью суперпозиции переменного напряжения и измерительного импульса с регистрацией амплитуды и фазы диэлектрического отклика на частоте модуляции с помощью синхронного детектора.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования циклического смещения одиночной плоской доменной стенки в монокристаллах ГМО.

Проведено компьютерное моделирование смещения одиночной ПДС с учетом запаздывания объемного экранирования. На основании имеющихся экспериментальных данных [18], использовалась линейная зависимость скорости движения ПДС в ГМО от локального электрического поля Eloc:

= µ Eloc - Eth, при Eloc > Eth, (1) ( ) Eloc = Eex + Eb, (2) где Eex – внешнее приложенное поле, Eb – внутреннее поле смещения, образующееся в результате объемного экранирования, а Eth – пороговое поле, µ – подвижность стенки. Зависимость Eb от времени определялась релаксационным уравнением с характерным временем dEb / dt =- Eb - (-Erd, (3) ) где Erd – остаточное деполяризующее поле.

Начальное распределение задавалось в виде Eb = ±Eb0, где знак определяется направлением спонтанной поляризации. Для учета неполного экранирования величина Eb0 выбиралась в диапазоне от Erd (полное экранирование начального состояния) до 0 (отсутствие объемного экранирования).

Изменение пространственного распределения внутреннего поля при циклическом движении стенки (рис. 1а) стремится скомпенсировать среднее за цикл локальное значение Erd. При полном экранировании начального состояния наблюдается эффект формовки – увеличение переключаемого заряда Qs (амплитуды смещения стенки) (рис. 1б) за счет уменьшения Eb, сопровождаемый изменением формы тока переключения (рис. 1в). С увеличением количества циклов два пика в токе переключения, соответствующие движению стенки в областях с разным знаком внутреннего поля (по разные стороны от начального положения стенки), размываются и сближаются. Расстояние между двумя пиками тока соответствует скачку поля смещения Eb в окрестности начального положения, величина которого уменьшается при циклическом движении стенки (рис. 1б). Зависимости Qs и Eb от N хорошо аппроксимируются выражениями вида Qs(N) = Qs(0) +Qs exp N Nw, Eb(N) =Eb(0)exp N Nw, (4) (- ) (- ) где Nw – характерное количество циклов, описывающее скорость процесса формовки. Показано, что Nw прямо пропорционально.

В результате многократного переключения при N >> Nw устанавливается равновесное распределение Eb(x) и насыщение Qs. Следует отметить, что установившиеся значение переключаемого заряда, форма тока переключения и пространственное распределение Eb не зависят от начального распределения, что демонстрирует самосогласованный характер модели.

При движении ПДС ток переключения j(t) прямо пропорционален скорости движения стенки, определяемой выражениями (1) и (2), что позволяет рассчитать Eb(x) из j(t), используя следующую систему уравнений:

j t ( ) x t =+ Eth ( ) 2Pwµ - Eex t ( ) Eb s, (5) t x t = 1 j t dt ( ) ( ) 2Pws где w – длина стенки (ширина образца), Ps – спонтанная поляризация, x(t) – смещение стенки из начального положения к моменту времени t.

Для проверки выводов модели было проведено экспериментальное исследование эффекта формовки при циклическом смещении ПДС в номинально однородных монокристаллах ГМО.

Показано, что существенное увеличение переключаемого заряда (рис. 2а) сопровождается расширением и сближением двух пиков тока переключения (рис. 2б), что соответствует результатам компьютерного моделирования (рис. 1в). В использованных экспериментальных условиях не удавалось достичь полного слияния пиков и насыщения Qs.

(а) (б) (в) Рисунок 1. Циклическое смещение ПДС (а) эволюция Eb(x) для полного начального экранирования; (б) изменение Qs и Eb вблизи начального положения стенки, аппроксимированные выражениями (4); (в) изменение формы тока переключения. Результаты компьютерного моделирования.

Экспериментально наблюдаемая зависимость Qs и Eb от количества циклов описывается выражениями Qs(N) = Qs(0) + Qs1 exp N Nw1 + Qs2 exp N Nw(- ) (- ), (6) Eb(N) = Eb(0) + Eb1 exp N Nw1 + Eb2 exp N Nw(- ) (- ) с Nw1 = 30, Nw2 = 1500 (рис. 2а и рис. 3а). Такое поведение может быть получено при моделировании при учете конкуренции двух различных механизмов экранирования.

С помощью системы уравнений (5) из измерений тока определено изменение Eb(x) в процессе циклического движения доменной стенки (рис. 3б), которое соответствует результатам, полученным с помощью компьютерного моделирования (рис. 1а).

Исследовано скачкообразное движение ПДС в образцах ГМО с искусственными объемными неполярными включениями, играющими роль центров пининга. Показано, что величина внешнего поля Erel,b, которое соответствует началу движения стенки к исходному положению после остановки на дефекте (поле старта) определяется локальной величиной Eb и уменьшается при длительном циклическом переключении (рис. 4а).

(а) (б) Рисунок 2. Эффект формовки при циклическом смещении ПДС под действием импульсов поля треугольной формы в ГМО: (а) увеличение Qs и максимального смещения стенки x; (б) эволюция формы тока переключения.

(а) (б) Рисунок 3. Эффект формовки при циклическом смещении ПДС под действием импульсов поля треугольной формы в ГМО: (а) уменьшение Eb; (б) эволюция пространственного распределения Eb, рассчитанного с помощью выражения (5).

Выдерживание образца в состоянии покоя ("старение") приводит к обратному эффекту – увеличению поля старта (рис. 4б). Известно, что причиной старения является объемное экранирование, которое стабилизирует статическую доменную структуру [3,19]. Исследования формовки и старения при различных температурах позволили показать, что для обоих эффектов справедлив активационный закон изменения поля старта с одинаковой энергией активации обоих процессов 0.70±0.05 эВ, что свидетельствует об их общей природе.

Четвертая глава посвящена обобщению модели циклического переключения, предложенной в главе 3 на случай кинетики доменной структуры в тонкой пластине одноосного сегнетоэлектрика, вырезанной перпендикулярно полярной оси при условии пренебрежения временем сквозного прорастания. В этой двумерной модели образование и рост доменов при переключении под действием биполярных импульсов внешнего поля прямоугольной формы рассмотрены как результат 1D и 2D зародышеобразования. Вероятность зародышеобразования определяется локальным значением пространственно неоднородного и изменяющегося при циклическом переключении макроскопического электрического поля. Рассматривается экспериментальная ситуация, при которой длительности импульса поля много меньше постоянной времени объемного экранирования.

(а) (б) Рисунок 4. Изменение поля старта ПДС с дефекта при обратном переключении в ГМО:

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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