WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 10 Кинетика доменов при создании периодической доменной структуры в ниобате лития © В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, Р.Г. Бачко, Г.Д. Миллер, М.М. Фейер, Р.Л. Байер Научно-исследовательский институт физики и прикладной математики при Уральском государственном университете, 620083 Екатеринбург, Россия Лаборатория Е.Л. Гинзтона, Стенфордский университет, 94305 Стенфорд, Калифорния, США E-mail: Vladimir.Shur@usu.ru (Поступила в Редакцию 3 ноября 1998 г.

В окончательной редакции 23 марта 1999 г.) Экспериментально исследована эволюция доменной структуры в LiNbO3 при переключении поляризации в электрическом поле. Особое внимание уделено процессам формирования регулярной доменной структуры, используемой в устройствах нелинейной оптики. Предложен новый метод, основанный на эффекте самопроизвольного обратного переключения, позволивший создать регулярную структуру с периодом 2.6 µmв LiNbO3 толщиной 0.5 mm.

Создание периодической доменной структуры с ми- 1. Эксперимент кронными периодами в сегнетоэлектрических материалах, важных для применения, представляют собой проИсследовались монодоменные пластины LiNbO3 толблему, решение которой особенно актуально для выполщиной 0.5 mm, вырезанные перпендикулярно полярной нения условий квазифазового синхронизма в нелинейнооси из монокристаллов конгруэнтного состава и оптиоптических устройствах [1]. Для генерации второй ческого качества. Полосовые периодические металлигармоники в видимом и ультрафиолетовом диапазонах ческие электроды (NiCr), ориентированные вдоль нанеобходимы регулярные доменные структуры с перио правлений [1010], были нанесены методом фотолитодом менее 5 µm в подложках толщиной не менее 0.5 mm.

графии на полярную плоскость (0001). Для предотВ 1993 г. впервые была продемонстрирована возможвращения роста доменов за пределы электродов поность создания регулярной доменной структуры в объемверхность с электродами была покрыта тонким слоем ном LiNbO3 при воздействии электрического поля при изолятора (рис. 1, a). Импульсы напряжения, создаюкомнатной температуре [2]. Эта методика стала популярщие в объеме электрическое поле больше порогового ной благодаря своей воспроизводимости и применимости (21.5 kV/mm), прикладывались с помощью прижимного к другим нелинейно-оптическим кристаллам. Сообщадержателя (рис. 1, a) через жидкий электролит (раслось о создании этим методом доменной структуры с периодом 3-4 µm в подложках толщиной 200-300 µm в LiNbO3 [2], LiTaO3 [3,4] и KTiOPO4 (KTP) [5], позволяющей генерировать синий и ультрафиолетовый свет.

В более толстых подложках однако не удается получать структуры, обеспечивающие выполнение условия квазифазового синхронизма для этого спектрального диапазона. Следует отметить, что кинетика доменов в LiNbOизучена только при очень медленных переключениях [6], хотя очевидно, что для развития существующих методов особенно важно последовательное исследование стадий эволюции доменной структуры при переключении с характерными временами менее секунды.

В работе детально исследовалось создание и закрепление доменной структуры в объемных образцах LiNbOпри воздействии электрического поля, приложенного к периодическим полосовым электродам. Для анализа стадий эволюции доменной структуры использовалась визуРис. 1. a — схема электродов, используемая при создании ализация доменных конфигураций химическим травленипериодической доменной структуры (1 —пластина LiNbO3, ем и последующим исследованием рельефа с помощью 2 — жидкий электролит, 3 — слой изолятора, 4 — периооптического и сканирующего электронного микроскопа дические полосовые электроды, 5 — кольцевые прокладки).

(SEM). Особое внимание уделялось изучению кинетики b, c — форма импульса переключающего напряжения при традоменной структуры при самопроизвольном обратном диционном методе и при использовании обратного переключепереключении после выключения поля.

ния соответственно.

1832 В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, Р.Г. Бачко, Г.Д. Миллер, М.М. Фейер, Р.Л. Байер твор LiCl) [7,8]. Переключение производилось при домены (рис. 2, c). На третьей стадии плоские стенки комнатной температуре. В процессе создания доменной сформировавшихся доменов смещаются за пределы элекструктуры регистрировались импульсы тока и напряже- тродов (рис. 2, d).

ния. Изменение формы и длительности импульса напря- После быстрого уменьшения переключающего поля жения и амплитуды тока позволяло управлять параме- процесс переключения останавливается, и в зависимости от длительности импульса возможны два варианта трами доменной структуры (рис. 1, b, c). Для анализа эволюции доменов: стабилизация созданной доменной доменной структуры, полученной после частичного или структуры или частичное переключение доменов в исполного переключения, полярные плоскости и сечения ходное состояние (”обратное переключение”) [7,11–13].

травились в течение 5–10 min в плавиковой кислоте при комнатной температуре. Наблюдение поверхност- При обратном переключении стенки переключенных доменов движутся по направлению к электродам и, кроме ного рельефа производилось при помощи оптического того, вдоль краев электродов возникают и растут цепи микроскопа и SEM. Изготовление наклонных сечений клиновидных доменов (рис. 2, e).

(шлифов) существенно улучшало пространственное разрешение при исследовании доменной структуры в объеме. Сравнение доменных изображений, полученных при 3. Основной подход различной длительности переключающих импульсов, использовалось для получения детальной информации об Наш подход к рассмотрению эволюции доменной эволюции доменов в процессе переключения.

структуры в сегнетоэлектриках основан на предположении о ключевой роли эффектов экранирования [14,15].

Известно, что переключение из монодоменного состо2. Стадии эволюции доменной яния происходит за счет образования и роста доменов структуры обратного знака. Скорости образования и роста доменов определяются величиной полярной компоненты локальАнализ доменных конфигураций, полученных после ного электрического поля Ez [10,15] в местах обрачастичных переключений, позволил выделить несколько зования и на доменных стенках соответственно. Простадий эволюции доменов [9] (рис. 2). Процесс переклюстранственное распределение локального поля Ez(r, t) чения начинается с ”зародышеобразования” (появления определяется суммой z компонент полей различного новых доменов) на полярной поверхности (0001) вдоль происхождения: 1) внешнего поля Eex(r), создаваемого краев электродов (рис. 2, a), когда поле достигает понапряжением, приложенным к электродам, 2) деполярогового значения [10]. Вторая стадия характеризуется ризующего поля Edep(r, t), создаваемого связанными запрорастанием доменов в полярном и боковом направлерядами мгновенной доменной конфигурации, и 3) двух ниях и их слиянием под электродами (рис. 2, b). По оконтипов экранирующих полей, компенсирующих деполячании этой стадии образуются сквозные пластинчатые ризующее поле: внешнего Eescr(r, t), вызванного перераспределением зарядов на электродах, и внутреннего Ebscr(r, t), обусловленного различными объемными механизмами [14,16,17] Ez(r, t) =Eex(r)- Edep(r, t)-Eescr(r, t)-Ebscr(r, t). (1) Деполяризующее поле замедляет рост доменов, а процессы экранирования уменьшают его влияние. Постоянная времени внешнего экранирования, как правило, много меньше, чем объемного, и определяется параметрами внешней цепи. Процессы объемного экранирования весьма существенны, поскольку даже после завершения внешнего экранирования в объеме существует остаточное деполяризующее поле Edr(r) (порядка коэрцитивного), обусловленное наличием в сегнетоэлектриках поверхностного диэлектрического зазора [10,11] Edr(r) =Edep(r) - Eescr(r) 0. (2) Для бесконечного монодоменного сегнетоэлектрического конденсатора Edr(r) =2L/d(PS/L0), (3) где L — толщина диэлектрического зазора, d —толщина Рис. 2. Основные стадии эволюции доменов при переклюобразца, PS — спонтанная поляризация, L — диэлектричении монодоменной пластины с полосовыми электродами на (0001). ческая проницаемость зазора.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Кинетика доменов при создании периодической доменной структуры в ниобате лития Остаточное деполяризующее поле может быть заэкранировано за счет перераспределения зарядов в объеме и ориентации заряженных дипольных дефектов [16,17]. Эти процессы сравнительно медленны ( 10-1-105 s) [10], поэтому обычно наблюдаемое запаздывание объемного экранирования приводит к различным эффектам памяти [15]. Например, исходное доменное состояние может быть частично или полностью воссоздано после достаточно быстрого уменьшения внешнего поля (самопроизвольное обратное переключение). Этот процесс вызван действием частично заэкранированного остаточного деполяризующего поля Ebs(r, t) =- Edr(r) - Ebscr(r, t). (4) Ранее нами было показано, что использование обратного переключения позволяет создавать периодические доменные структуры с исключительно малыми периодами [9].

4. Детали эволюции доменной структуры 4.1. Образование доменов на поверхнос т и. Принято считать, что плотность зародышей является важным параметром, лимитирующим проРис. 3. a — образование зародышей вблизи краев электродов странственную частоту периодических доменных структур [8,12]. Экспериментально установлено, что в LiNbO3 (при обратном переключении). b — теоретически рассчитанное пространственное распределение полярной компоненты поля средняя плотность зародышей слабо зависит от материEz на различном расстоянии от поверхности z (в долях ала электрода [12,18]. Наши эксперименты показали, от периода электродов) (1 — 0.01, 2 — 0.1, 3 — 0.6).

что для полосовых электродов плотность образующихся c — гистограмма расстояний между соседними клиновидными изолированных клиновидных доменов существенно продоменами, аппроксимированная гауссианом.

странственно неоднородна: вдали от краев электродов она не превышает 1000 mm-2 [8], а вдоль краев электродов линейная плотность возникающих доменов достигает 1100 mm-1 (рис. 3, a) [9].

Такое поведение может быть объяснено сингулярным пространственным распределением полярной компоненты локального поля Ez(x) вблизи поверхности у краев электродов. Результаты численного расчета приведены на рис. 3, b. Следует отметить, что пространственная неоднородность поля Ez(x) существует только вблизи поверхности и его амплитуда быстро убывает с глубиной.

На глубине порядка периода электродов поле практически однородно (рис. 3, b). Следовательно, пространственно неоднородное зародышеобразование обусловлено неоднородностью поля в тонком приповерхностном слое, а рост доменов в объеме происходит в однородном поле.

Проведенные нами детальные исследования начальной стадии самопроизвольного обратного переключения с визуализацией доменной конфигурации на полярной плоскости с помощью SEM позволили обнаружить существование цепей нанодоменов (рис. 4, a). Типичный Рис. 4. a — нанодомены, образующиеся вблизи края элекдиаметр этих доменов 50–100 nm при линейной плотнотрода при обратном переключении. b — рост цепей доменов сти до 104 mm-1. Мы предполагаем, что обычно наблю- на поверхности (0001) в направлениях выгодного роста при даемые клиновидные домены образуются в результате переключении в однородном поле.

8 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1834 В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, Р.Г. Бачко, Г.Д. Миллер, М.М. Фейер, Р.Л. Байер роста этих нанодоменов. Следует отметить, что ранее ней вдоль доменных стенок (рис. 5, b). Тригональная в LiNbO3 наблюдались изолированные ”иглообразные симметрия LiNbO3 в плоскости, перпендикулярной по микродомены” неизвестного происхождения диаметром лярной оси, приводит к движению ступеней в трех [1010] менее 1 µm [19]. направлениях. В результате такого роста формируются Анализ доменных конфигураций на первой стадии шесть плоских доменных стенок (рис. 5, b) [22]. Следует обратного переключения показывает, что наблюдается отметить, что эффект анизотропии проявляется также в корреляция в пространственном распределении клино- образовании при переключении в однородном поле цепей видных доменов (рис.3, c). Эта особенность может клиновидных доменов, ориентированных в трех [1010] быть связана с уменьшением локального поля вблизи направлениях (рис. 4, b).

образовавшегося клиновидного домена [10]. Такое измеПолосовые электроды всегда ориентированы в одном нение пространственного распределения электрического из направлений преимущественного роста (движения поля подавляет рост соседних зародышей. Этот эффект ступеней). Благодаря такой ориентации послойный рост приводит к тому, что растущие клиновидные домены распреобладает после коалесценции цепей доменов, образопределены квазирегулярно и их количество значительно вавшихся вдоль краев электронов на первой стадии переменьше, чем нанодоменов.

ключения, что приводит к формированию пар полосовых 4.2. Рост и коалесценция клиновидных доменов с плоскими границами на поверхности (0001).

доменов под электродами. Разрастание обраВ толстых образцах коалесценция изолированных дозовавшихся клиновидных доменов происходит за счет менов и образование полос на (0001) заканчиваются, движения доменных стенок в прямом (полярном) и когда вершины клиньев еще не прорастают насквозь.

боковом направлениях. Анализ статических доменных Экспериментально показано, что при расстоянии меконфигураций, наблюдаемых на наклонных сечениях, жду зародышами 0.9 µm коалесценция изолированных показал, что в LiNbO3 скорость прямого прорастания доменов заканчивается, когда их вершины прорастают в vf приблизительно в 100 раз больше, чем скорость полярном направлении на глубину 50-100 µm.

бокового движения vs. Отношение скоростей определяет Пары доменных стенок, сформировавшиеся под краянаблюдаемую величину углов при вершинах клиновидми электродов, движутся навстречу друг другу до полных доменов, составляющую менее одного градуса.

ного переключения под электродами на (0001). Для В случае одновременного роста системы клиньев велиобразцов толщиной 0.5 mm с электродами шириной мечина локального поля Ez(r, t) у вершины определенного нее 3 µm эта коалесценция заканчивается раньше, чем клина зависит от расстояний до соседей. Поэтому в вершины клиньев прорастают сквозь образец.

случае отставания или остановки соседа (за счет торПластинчатые сквозные домены правильной формы можения дефектами) изменяется локальное поле вблизи формируются только после окончания прямого проравершины движущегося клина, что приводит к отклостания. Однако эволюция доменной структуры на этом нениям направления прорастания. Этот эффект должен не заканчивается. На заключительном этапе всегда наприводить к различию между доменными конфигураблюдается значительное нежелательное расширение плациями на разных полярных поверхностях, что часто стинчатых доменов за пределы электродов.

наблюдается на эксперименте.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.