WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Первая глава является обзорной. В ней изложены основные свойства сегнетоэлектриков, описаны основные физические свойства монокристаллов LN. Приведен обзор современных представлений о кинетике доменной структуры в электрическом поле, а также методов исследования переключения поляризации. Особое внимание уделено описанию механизмов экранирования деполяризующего поля. Представлен обзор экспериментальных исследований по формированию нано-доменных структур в LN в результате облучения ультрафиолетовым лазером.

Переключение поляризации в сегнетоэлектриках происходит за счет зародышеобразования, движущей силой которого является макроскопическое электрическое поле, усредненное по объему зародыша Es [3]. Это поле является суперпозицией приложенного поля Eex, деполяризующего поля Edep и полей внешнего Escr и объемного Eb экранирования. Существование собственного поверхностного диэлектрического слоя приводит к тому, что Edep не может быть полностью скомпенсировано за счет быстрого внешнего экранирования [1], в результате чего после завершения внешнего экранирования в объеме существует остаточное деполяризующее поле Erd. Медленные процессы объемного экранирования полностью компенсируют Erd и стабилизируют доменную структуру.

Запаздывание объемного экранирования приводит к отклонению от равновесных условий переключения, которое количественно характеризуют R = scr/ts, - отношением скорости переключения 1/ts и скорости экранирования 1/scr. Наибольший интерес представляет переключение в неравновесных условиях, при неэффективном экранировании. Переключение в условиях неполного экранирования может сопровождаться коррелированным зародышеобразованием, благодаря наличию максимума переключающего поля перед доменной стенкой на расстоянии равном толщине диэлектрического зазора [4]. При полностью неэффективном экранировании рост доменов путем бокового движения доменных стенок подавлен, и переключение происходит только за счет дискретного переключения, представляющего собой рост ансамбля изолированных нано-доменов. Благодаря эффекту коррелированного зародышеобразования пространственное распределение нанодоменов в образующихся ансамблях упорядоченно.

Для выявления доменной структуры в LN и LT используют метод селективного химического травления, основанный на том, что скорость травления полярной поверхности Z+ примерно в 1000 раз меньше скорости травления Z-. Рельеф травления воспроизводит конфигурацию доменной структуры, и может быть визуализирован с помощью оптической микроскопии, или сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) в атомно-силовой моде (АСМ). Визуализация доменов без травления возможна при помощи оптической микроскопии фазового контраста и СЗМ в режиме регистрации пьезоэлектрических сил (ПСМ).

Импульсное облучение LN ультрафиолетовым (УФ) лазером приводит к формированию квазиупорядоченных нано-маштабных доменных структур, состоящих из цепей изолированных нано-доменов. Использование ПСМ для визуализации и локального переключения поляризации позволило утверждать, что это нанодоменные структуры. Было высказано предположение, что причиной образования поверхностных нано-доменных структур является пироэлектрическое поле, существующее вблизи поверхности образца после прекращения воздействия импульса лазерного излучения, и продемонстрировано, что коррелированное зародышеобразование играет определяющую роль при их формировании.

Вторая глава является методической и содержит описание методик экспериментов, и характеристики исследуемых образцов.

Изучение селективного химического травления проводилось на пластинах MgO:SLT и CLN толщиной 0.5 мм, вырезанных перпендикулярно оптической оси. Изучаемые образцы делились на две группы.

В образцах первой группы периодическая доменная структура с периодом 8 мкм создавалась приложением электрического поля при помощи нанесенной на Z+ поверхность металлической полосовой электродной структуры, ориентированной вдоль Y направления, и сплошного жидкого электрода (раствор LiCl) на Z- поверхности, после чего образец подвергался травлению при 40оС в плавиковой кислоте (HF) в течение 90 минут. В образцах второй группы субмикронная периодическая доменная структура создавалась приложением поля с помощью проводящего зонда СЗМ. Доменная структура выявлялась с помощью травления при комнатной температуре в чистой HF в течение 20 минут. Рельеф травления измерялся при помощи АСМ.

Изучение изменения формы доменов после слияния производилось в LN с двумерной гексагональной доменной структурой, состоящей из шестиугольных доменов, созданной приложением электрического поля с помощью жидкого электрода через маску, созданную фотолитографией на поверхности пластины. Период доменной структуры составлял 20 мкм.

Формирование нано-доменной структуры в результате воздействия импульсов лазерного излучения изучалось в пластинах CLN и MgO:LN толщиной 0.5 и 1 мм.

Облучение излучением импульсного лазера инфракрасного (ИК) диапазона производилось в институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург: длина волны = 10.6 мкм, длительность импульса p = 200 мкс, плотность энергии I = 0.9 – 7 Дж/см2. Нано-доменные структуры выявляли травлением в концентрированной HF при комнатной температуре в течение 15 минут, и визуализировали с помощью оптической микроскопии и АСМ.

а) б) в) г) Рис. 1. СЗМ изображения конца полосового домена после травления: а) АСМ, б) ПСМ, в) АСМ на Z+ и Z- поверхностях, г) изменение положения доменных стенок на полярных поверхностях с шагом по времени 9 мин. Анализ рельефа травления.

В третьей главе представлены результаты исследований влияния селективного химического травления на доменную структуру.

Принято считать, что селективное химическое травление никогда не изменяет доменную структуру, и рельеф травления однозначно соответствует доменной конфигурации. В работе впервые была показана несостоятельность этого утверждения. Экспериментально обнаружено в монокристаллах MgO:SLT, что при травлении концы полосовых доменов смещаются на десятки микрон относительно первоначального положения. Следует отметить, что в аналогичных условиях полосовая доменная структура в монокристаллах CLN не изменялась.

Установлено в образцах MgO:SLT с периодической полосовой доменной структурой, что измеренный с помощью АСМ рельеф травления концов полосовых доменов представляет собой пологие склоны (Рис. 1а,в). Из изображений, полученных с помощью ПСМ после травления (Рис. 1б), было обнаружено, что перемещение стенок продолжалось и после завершения травления.

Для того чтобы исключить возможное влияние пироэлектрического поля был проведен контрольный эксперимент, в котором воспроизводились температурные условия цикла травления: нагрев до 40OC, двухчасовая выдержка и охлаждение до комнатной температуры в HNO3 без добавления HF. ПСМ измерения показали, что при такой обработке доменные стенки не смещались, следовательно, переключение обусловлено только травлением.

Была предложена методика анализа рельефа травления, позволяющая восстановить кинетику доменной структуры в процессе травления с высоким пространственным разрешением. В процессе травления скорость удаления вещества с поверхности постоянна и, следовательно, при переключении глубина рельефа каждого фрагмента поверхности пропорциональна времени, в течение которого он представлял собой Z- поверхность. Таким образом, анализ рельефа травления позволяет извлечь информацию о кинетике доменной структуры в процессе травления. На Рис. 1г приведена последовательность положений границы домена на полярных поверхностях с шагом по времени девять минут.

Анализ профилей сечений рельефа (вертикальные линии на Рис. 1г) позволил определить зависимость от времени координат соответствующих участков доменных стенок на полярных поверхностях. Численное дифференцирование позволило получить зависимости от времени скоростей бокового движения доменной стенки в процессе травления (Рис. 2).

Обнаруженное замедление движения стенки аналогично наблюдаемому при переключении в электрическом поле и может быть отнесено за счет запаздывания экранирования.

Индуцированное травлением изменение доменной структуры в MgO:SLT, можно отнести за счет частичного удаления экранирующего заряда. Доменная структура изменяется, если Es превышает пороговое поле Eth, необходимое для перемещения доменной стенки [4]:

Рис. 2. Зависимости от времени Es = Edep – Escr – Eb > Eth (1) положений и скоростей доменной стенки на полярных поверхноВ MgO:SLT благодаря высокой объемной стях: (а), (в) на Z+, (б), (г) на Z-.

проводимости и низкой концентрации объемных дефектов [5] объемное экранирование обусловлено перераспределением зарядов вблизи полярных поверхностей. Частичное удаление этих зарядов при травлении нарушает условие (1), чему также способствует малая величина Eth, не превышающая 1 кВ/мм [5]. Величина Es при этом определяется соотношением скоростей травления и объемного экранирования.

На рельефе полосового домена, измеренного при помощи АСМ (Рис. 3а), видны ступени, свидетельствующие о скачкообразном смещении конца домена во время травления. Движение конца домена начиналось каждый раз после удаления поверхностного слоя толщиной около 40 нм, что можно отнести за счет удаления доли объемного экранирующего заряда, достаточной для выполнения условия (1).

Таким образом, был сделан вывод, что в MgO:SLT экранирование в основном происходит в поверхностном слое толщиной около 40 нм.

Отсутствие в CLN переключения при травлении в тех же экспериментальных условиях отнесено за счет большего порогового поля и объемного экранирования деполяризующих полей за счет ориентации дефектных диполей [5].

При уменьшении размеров доменов роль эффекта индуцированного травлением переключения возрастает. При травлении искусственной нано-доменной структуры с шириной доменов около 300 нм, созданной приложением поля с помощью проводящего зонда СЗМ (Рис. 3б), происходило существенное изменение ширины полосовых доменов по всей площади (Рис. 3в).

а) б) в) Рис. 3. а) Рельеф травления полосового домена (сверху - АСМ визуализация, снизу- профиль сечения). Искусственная периодическая нано-доменная структура. ПСМ визуализация: б) до травления, в) после травления.

Четвертая глава посвящена изучению эволюции формы индивидуальных доменов при переключении поляризации в электрическом поле.

Ранее отмечалось, что в монокристаллах семейства LN экспериментально наблюдается большое разнообразие форм доменов [6]. В главе проведено систематическое объяснение зависимости формы изолированного домена от условий переключения с учетом запаздывания экранирования деполяризующего поля.

Показано, что запаздывание экранирования приводит к замедлению движения доменных стенок (роста доменов) за счет уменьшения вероятности 2D зародышеобразования (генерации ступеней) на стенке. Для изолированного домена в форме многоугольника эффект торможения на вершинах существенно менее выражен, чем на гранях. В результате генерация ступеней происходит только на вершинах.

Кроме того, прямые экспериментальные наблюдения показали, что в LN ступени растут только вдоль трех Y кристаллографических направлений. Таким образом наблюдается эффект детерминированного зародышеобразования: рост ступеней, образовавшихся только на трех несмежных вершинах домена (Рис. 4а).

Для детального исследования формы было проведено моделирование роста доменов на гексагональной решетке дискретных элементов, каждый из которых мог существовать в одном из двух состояний с разным знаком Ps. На каждом шаге моделирования для каждого элемента учитывалось состояние шести ближайших соседей. Переключение элемента, не имеющего переключенных соседей, аналогично трехмерному зародышеобразованию (3D), элемента с одним или двумя переключенными соседями - двумерному (2D), а элемента с тремя переключенными соседями - одномерному (1D) (Рис. 4б). Такая модель позволяет детально исследовать послойный рост изолированного домена в условиях детерминированного зародышеобразования. Скорость генерации ступеней пропорциональна вероятности 2D зародышеобразования p2D, а скорость роста ступеней – вероятности 1D зародышеобразования p1D. Форма растущего домена определяется отношением p2D/p1D, которое зависит от степени отклонения от равновесных условий переключения R = scr/ts за счет неэффективного экранирования деполяризующего поля.

Можно выделить три области неэффективности экранирования: 1) R << 1 - полное экранирование, 2) R ~ 1 - неполное экранирование, 3) R >> 1 - неэффективное экранирование. Моделирование показало, что все разнообразие экспериментально наблюдаемых в LN форм изолированных доменов удается объяснить как результат изменения p2D/p1D, вызванного изменением неэффективности экранирования.

а) б) в) Рис. 4. а) Генерация и рост ступеней, б) типы зародышей, в) зависимость угла при вершине от соотношения вероятностей зародышеобразования (моделирование).

Рис. 5. Зависимость формы изолированных доменов от эффективности экранирования:

а) моделирование, б) эксперимент в CLN.

Зависимость величины угла при вершине домена от величины p2D/p1D представлена на Рис. 4в. Видно, что домены в форме правильных шестиугольников, наблюдаются только при полном экранировании, когда концентрация ступеней на доменных стенках мала, и углы при вершинах близки к 120 градусам. Увеличение p2D/p1D приводит к росту концентрации ступеней и уменьшению углов при вершинах, на которых происходит генерация ступеней. Форма доменов при дальнейшем увеличении p2D/p1D изменяется вплоть до трехлучевой звезды и “триплета лучей” (Рис. 5а). Все предсказанные моделью формы доменов были получены экспериментально в CLN при переключении в экспериментальных условиях с различной неэффективностью экранирования, которая определялась изменением скорости переключения и толщины диэлектрического зазора (Рис. 5б).

Следует отметить, что p2D/p1D также может изменяться и в процессе переключения. Моделирование роста домена с учетом уменьшения p2D/p1D позволило объяснить экспериментально наблюдаемое формирование дополнительных граней, что также наблюдалось в эксперименте.

Моделирование позволило объяснить формирование доменов с ориентацией стенок, не соответствующей симметрии кристалла. Было показано, что в результате слияния доменов возникают доменные стенки, ориентированные вдоль X кристаллографических направлений (Рис. 6).

а) б) в) Рис. 6. X-стенка: а) моделирование, б) схема эволюции, в) эксперимент в CLN.

Как видно на Рис. 6а, на каждом шаге все элементы X-ориентированной стенки имеют три переключенных соседа, и, соответственно, она смещается на каждом шаге моделирования как единое целое.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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