WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Анализ доменных конфигураций на полярных поверх- 4.3. Движение доменных стенок за преденостях показал, что растущие домены в LiNbO3 обычно л а м и э л е к т р о д о в. Очевидно, что при использоимеют гексагональную форму (рис. 5, a). Для объяс- вании периодических полосовых электродов пространнения роста доменов правильной формы воспользуемся ственная неоднородность внешнего поля Eex существует отмеченным ранее подобием роста кристаллов и доме- только в приповерхностном слое толщиной порядка нов [20,21]. Рост доменов (боковое движение доменных периода электродной структуры, поэтому движение стенок) происходит за счет движения отдельных ступе- сформировавшихся плоских доменных стенок за пределами электродов в толстых образцах ( d) происходит в практически однородном электрическом поле.

Скорость движения доменной стенки за пределами электродов определяется полярной компонентой локального электрического поля Ez [23]. При этом степень компенсации деполяризующего поля за счет внешнего экранирования (перераспределения зарядов в жидких электродах) значительно меньше, чем под металлическими электродами (рис. 6, a). Существование большого остаточного деполяризующего поля и его сравнительно медленное объемное экранирование в LiNbO3 при Рис. 5. Гексагональные домены в LiNbO3: a — доменная комнатной температуре приводят к уменьшению Ez при конфигурация, b — схема послойного роста доменов. Тонкие стрелки — направление движения ступеней, жирные стрел- смещении стенки за пределы электрода x, вызванному ки — направление движения доменных стенок. увеличением нескомпенсированной доли деполяризуюФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Кинетика доменов при создании периодической доменной структуры в ниобате лития x с плотностью зарядов Ez(x) =Eex - Edep(x) = U/d - (i0)-1F(x/d), (6) где U — приложенное напряжение, i — диэлектрическая проницаемость изолятора. F(x/d) = 1/ 2 arctg(x/d) +x/d ln(1 + d2/x2), = LPSd-- bL (1 + k).

Параметр k позволяет учесть предысторию: для сдвига из полностью заэкранированного исходного состояния k = 1, а после достаточно долгого пребывания в смещенном состоянии k = -1.

Вывод уравнения (6) и его применение для анализа экспериментальных данных о движении плоской доменной стенки в молибдате гадолиния подробно изложены в нашей работе [24].

Для используемой геометрии электродов уравнение (6) и условие (3) позволяют объяснить смещение доменных стенок на определенное расстояние за пределы электродов и получить полевую зависимость величины максимального смещения xmax(Eex - Eth). Следует отметить, что наличие проводимости несовершенного слоя изолятора приводит к значительному увеличению смещения стенок. Следовательно, наблюдаемое смещение доменной стенки должно зависеть от состава изолирующих слоев и технологии их нанесения.

4.4. ”Аномальное движение” доменных с т е н о к. Экспериментально было обнаружено, что Рис. 6. a — схема приповерхностной области пластины с при создании доменных структур с малым периодом электродами (1 — диэлектрический зазор, 2 — слой изолятора, xmax часто изменяется от электрода к электроду и 3 — жидкий электролит, 4 — металлические электроды).

в некоторых областях наблюдаются необычно большие Доменные конфигурации при аномальном расширении доменов за пределы электродов, полученные с помощью оптического смещения стенок (рис. 6, b, c). Попытка отнести такое микроскопа (b) и SEM(c). d — теоретически рассчитанное поведение за счет неоднородности изолирующих слоев пространственное распределение полярной компоненты ло- была опровергнута результатами наблюдений, показавкального поля у поверхности вблизи плоской доменной стенки.

шими, что при этом реализуется аномальный механизм движения доменной стенки.

Для изучения ранних стадий эволюции доменов в этом случае нами анализировались доменные конфигурации, щего поля. Доменная стенка останавливается, когда полученные после очень короткого частичного обратного переключения. Эта возможность основана на экспериментально подтвержденном подобии положения зароEz(x) - Eth 0, (5) дышей при прямом и обратном переключениях. Наблюдения доменных конфигураций (рельефа протравленной где Eth — пороговое поле бокового смещения плоской поверхности) с помощью оптического микроскопа покадоменной стенки.

зывают, что кинетика доменов при аномальной эволюции Уменьшение Ez при смещении стенки вызвано увелипредставляет собой образование, рост и последующее чением Edr(x) и поля, создаваемого ”закрепленными” слияние цепей доменных ”пальцев”, ориентированных зярядами, образовавшимися при экранировании исходв одном из [1010]-направлений (рис. 6, b). Наблюного монодоменного состояния, поскольку при быстром дение с улучшенным пространственным разрешением движении стенки перераспределением этих зарядов мож(при помощи SEM) показало, что оптически наблюдаено пренебречь. Пренебрегая проводимостью слоя изоля- мые доменные пальцы представляют собой цепочки клитора и учитывая, что толщина слоя изолятора Li много новидных доменов диаметром около 100 nm (рис. 6, c), больше толщины диэлектрического зазора L, при исполь- ср. с рис. 4, b. Линейная плотность зародышей в цепочках зуемой геометрии эксперимента (рис. 6, a) можно полу- превышает 104 mm-1. При создании доменных структур чить зависимость средней величины поля в объеме Ez с малым периодом аномальный механизм может привоот x, аппроксимируя пространственное распределение дить к слиянию стенок между электродами и нарушению связанных и экранирующих зарядов полосой шириной периодичности доменной структуры.

8 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1836 В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, Р.Г. Бачко, Г.Д. Миллер, М.М. Фейер, Р.Л. Байер Аномальный механизм движения доменной стенки может быть рассмотрен по аналогии с эффектом ”коррелированного зародышеобразования”, наблюдавшимся нами ранее в германате свинца [25,26]. Эффект обусловлен дальнодействием движущейся доменной стенки. Расчет Ez(x) вблизи плоской доменной стенки (рис. 6, d) демонстрирует выраженный максимум на расстоянии порядка толщины приповерхностного диэлектрического зазора [10]. В LiNbO3 такое распределение приподит Рис. 8. Зависимость доли обратного переключения от врек образованию цепочек клиновидных нанодоменов в мени при стабилизации в различных полях. Экспериментальприповерхностном слое и их последующему росту в ные точки аппроксимированы экспоненциальными функциями.

выделенных направлениях (рис. 6, c). Слияние цепочек a — Ez = 24 kV/mm, = 11 ms, b — Ez = 20.6 kV/mm, приводит к неоднородному аномально большому смеще = 34 ms.

ниюстенок и к изменениюих формы.

4.5. Эволюция доменной структуры при обратном переключении. В отличие от общетолстых образцах за счет компенсации нежелательного принятого подхода мы показали возможность использоуширения доменов на стадии переключения.

вания самопроизвольного обратного переключения для Метод обратного переключения позволил нам создать создания периодических доменных структур. Этот нетрадоменную структуру с периодом 2.6 µm в пластинах диционный подход базируется на идеях, экспериментальLiNbO3 толщиной 0.5 mm (рис. 7). Следует отметить, но подтвержденных в наших работах [10,13,15].

что традиционная методика не позволяет получать поДля поляризации с использованием обратного педобные структуры в подложках такой толщины.

реключения изменена форма импульса напряжения 4.6. Стабилизация доменной структуры (рис. 1, c). В результате воздействия первой части п о с л е п е р е к л ю ч е н и я. При традиционном пеимпульса (сильного поля) формируются пластинчатые реключении созданная в электрическом поле доменная домены, ширина которых существенно превышает шиструктура закрепляется с помощью достаточно длительрину электродов. В переключенной области на стадии ного выдерживания в поле, несколько меньшем порогослабого приложенного поля начинается движение стенок вого значения (рис. 1, b). Измерения зависимости доли доменов в обратном направлении (обратное переклюобратного переключения (отношения величин зарядов чение). Кроме того, как и при обычном переключении, обратного и прямого переключений, полученных интевдоль краев электродов образуются и растут клиновидгрированием токов) от времени стабилизации Qbs(t)/Qs ные домены (рис. 2 и 3, a). Доменная структура, полупоказали экспоненциальное уменьшение с постоянной ченная в результате обратного переключения, закреплявремени 10–30 ms (рис. 8). В предположении, что ется на стадии стабилизации импульса поляризующего движущей силой обратного переключения является не напряжения, но в значительно меньшем поле, чем при полностью заэкранированное деполяризующее поле, китрадиционном способе (рис. 1, c). Путем изменения нетика стабилизации определяется постоянной времени длительности стадии слабого поля удается закреплять объемного экранирования [13,15,16]. Видно, что фаза доменные структуры, соответствующие различной степестабилизации длительностью более 50 ms достаточна для ни обратного переключения. Контролируемое обратное практически полного предотвращения обратного пересмещение плоских стенок позволяет получать сквозные ключения после выключения поля [12].

доменные структуры с рекордно малыми периодами в 4.7. Умножение частоты. Результаты исследования кинетики доменов при обратном переключении позволили нам развить качественно новые методы создания регулярных структур с умножением пространственной частоты доменной структуры по сравнению со структурой электродов. Было получено удвоение частоты доменной структуры за счет образования полос дополнительных несквозных доменов под электродами на (0001) при обратном переключении (рис. 9, a). В полярном направлении длина доменов обычно составляет 50-100 µm и зависит от параметров импульса и ширины электродов (рис. 9, b). Изменение условий переключения позволяет получать утроение частоты (рис. 9, c). В этом случае дополнительные полосовые домены формируются под Рис. 7. Доменная структура с периодом 2.6 µm, полученная краями электродов и прорастают в глубину на 20-50 µm при обратном переключении в пластине LiNbO3 толщиной 0.5 mm. Поверхность (0001). (рис. 9, d).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Кинетика доменов при создании периодической доменной структуры в ниобате лития Список литературы [1] R.L. Byer. J. Nonlinear Optic. Phys. & Mater. 6, 549 (1997).

[2] M. Yamada, N. Nada, M. Saitoh, K. Watanabe. Appl. Phys.

Lett. 62, 435 (1993).

[3] K. Mizuushi, K. Yamamoto. Optics Lett. 21, 107 (1996).

[4] J.-P. Meyn, M.M. Fejer. Optics Lett. 22, 1214 (1997).

[5] W.P. Risk, S.D. Lau. Appl. Phys. Lett. 69, 3999 (1996).

[6] Ю.С. Кузьминов. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобат лития. Наука, М. (1987). 264 с.

[7] L.E. Myers, R.C. Eckardt, M.M. Fejer, R.L. Byer, W.R. Bosenberg. Optic Lett. 21, 591 (1996).

[8] G.D. Miller, R.G. Batchko, M.M. Fejer, R.L. Byer. SPIE Proc.

on Solid State Lasers and Nonlinear Crystals 2700, 34 (1996).

[9] V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev, R.G. Batchko, G.D. Miller, Рис. 9. Умножение пространственной частоты доменной M.M. Fejer, R.L. Byer. Ferroelectrics (in press).

структуры при обратном переключении. ”Удвоение частоты”:

[10] V.Ya. Shur. In: Ferroelectric Thin Films: Synthesis and Basic a — поверхность (0001), b — поперечное сечение. ”Утроение Properties. Gordon & Breach, N.Y. Ch. 6, 153 (1996).

частоты”: c — поверхность (0001), d — поперечное сечение.

[11] V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev. J. Korean Phys. Soc. 32, S”Стирание” (e) и ”раскалывание” (f ) (поперечные сечения).

(1998).

[12] L.E. Myers. Quasi-Phasematched Optical Parametric Oscillators In Bulk Periodically Poled Lithium Niobate. Ph. D. thesis.

The Stanford University (1995). 129 p.

Детальный анализ доменных конфигураций в попе[13] В.Я. Шур, В.В. Летучев, И.В. Овечкина. ФТТ 26, 11, речном сечении показывает два возможных варианта (1984).

эволюции доменов при обратном переключении: ”стира[14] В.Я. Шур, Ю.А. Попов, Н.В. Коровина. ФТТ 26, 3, ние” и ”раскалывание”. Процесс ”стирания” предста(1984).

вляет собой образование доменов внутри ранее пере- [15] V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev. Ferroelectrics 191, 319 (1997).

[16] P.V. Lambeck, G.H. Jonker. Ferroelectrics 22, 729 (1978).

ключенного домена без изменения его внешней формы [17] В.М. Фридкин. Сегнетоэлектрики-полупроводники. Наука, (рис. 9, e). При ”раскалывании” растущий при обратном М. (1976). 408 с.

переключении домен рассекает переключенный домен, [18] G.D. Miller. Ph. D. thesis. The Stanford University (1998).

существенно изменяя его форму, но приблизительно 82 p.

сохраняя его объем (рис. 9, f ).

[19] N. Ohnishi, T. Iisuka. J. Appl. Phys. 46, 1063 (1975).

Таким образом, проведенные комплексные исследова[20] V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev. Ferroelectrics 142, 1 (1993).

ния позволили получить новую информацию о кинетике [21] W.K. Burton, N. Cabrera, F.C. Frank. Phil. Trans. Roy. Soc.

доменной структуры в LiNbO3 при быстром переклю243, 299 (1951).

чении поляризации (существенном запаздывании объем[22] V.Ya. Shur, A.L. Gruverman, V.V. Letuchev, E.L. Rumyantsev, ного экранирования) в пространственно неоднородом A.L. Subbotin. Ferroelectrics 98, 29 (1989).

электрическом поле. Обнаружен эффект аномального [23] V.Ya. Shur, A.L. Gruverman, V.P. Kuminov, N.A. Tonkachyova.

Ferroelectrics 111, 197 (1990).

расширения доменов за пределы электродов. Впервые [24] В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, В.П. Куминов, А.Л. Субботин, исследованы и качественно объяснены особенности эвоЕ.В. Николаева. ФТТ 41, 1, 126 (1999).

люции доменной структуры при спонтанном ”обратном [25] В.Я. Шур, А.Л. Груверман, Н.Ю. Пономарев, Е.Л. Румянпереключении” после выключения внешнего поля. Доцев, Н.А. Тонкачева. Письма в ЖЭТФ 53, 12, 591 (1991).

стигнутый уровень понимания позволил использовать [26] V.Ya. Shur, A.L. Gruverman, N.Yu. Ponomarev, N.A. Tonkaэтот традиционно ”нежелательный” эффект как основу chyova. Ferroelectrics 126, 371 (1992).

новых методов создания регулярных доменных структур.

Авторы благодарят L. Eyres за проведение анализа доменной структуры с помощью SEM, а также С. Макарова, Е. Николаеву, Е. Шишкина и Д. Фурсова за техническую помощью.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальынх исследований (грант № 96-02-19588), DARPA/ONR (грант N 00014-J-1903) и LLNL, а также US AFRL/EOARD по контракту № F61775-98-WE060.

Pages:     | 1 ||



© 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.