WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, № 1 Движение плоской доменной стенки в сегнетоэлектрике-сегнетоэластике молибдате гадолиния © В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, В.П. Куминов, А.Л. Субботин, Е.В. Николаева Институт физики и прикладной математики Уральского государственного университета, 620083 Екатеринбург, Россия E-mail: Vladimir.Shur@usu.ru (Поступила в Редакцию 17 июня 1998 г.) Боковое движение плоской доменной стенки (ПДС) в электрическом поле и ее самопроизвольное возвращение в исходное положение после выключения поля исследовались в несобственном сегнетоэлектрикесегнетоэластике молибдате гадолиния Gd2(MoO4)3 с использованием оптической визуализации и измерения токов переключения. Полученные особенности поведения ПДС отнесены за счет запаздывания объемного экранирования деполяризующих полей. Показано, что зависимость движения ПДС от длительности переключения в переменном поле обусловлена перераспределением экранирующих зарядов.

Сегнетоэлектрики-сегнетоэластики являются лучши- распыления наносились прозрачные электроды In2O3 : Sn.

ми модельными материалами для изучения таких эле- Исследовались образцы с одной ПДС, консольно закрементарных процессов эволюции доменной структуры, пленные на подложке со стороны меньшей грани (рис. 1).

как движение плоских доменных стенок (ПДС). В Зазоры в электродах предотвращали исчезновение ПДС них, как в любых сегнетоэластиках, ПДС устойчиво (ограничивали диапазон перемещения).

существует в широком диапазоне воздействий и может быть визуализирована, благодаря различию оптических характеристик доменов, и как в любых сегнетоэлектриках, для изменения положения ПДС можно использовать электрическое поле. Благодаря этому динамику ПДС можно детально исследовать регистрируя токи переключения и оптически определяя мгновенные по- Рис. 1. Конфигурация электродов и исходное положение ПДС.

ложения ПДС с высоким пространственным и временным разрешением. Для исследований был выбран неУстановка, созданная на основе поляризационного собственный сегнетоэлектрик-сегнетоэластик молибдат микроскопа (рис. 2), позволяла одновременно регигадолиния Gd2(MoO4)3 (GMO), физические свойства стрировать последовательности мгновенных доменных и доменная структура которого сравнительно хорошо конфигураций при циклическом переключении и соотизучены [1–5].

ветствующие токи переключения. Исследуемый обраРанее были отмечены неравномерность скорости двизец 1 закреплялся на столике микроскопа. Для регижения ПДС при смещении из исходного положения и страции мгновенных доменных конфигураций испольвозвращение ПДС в исходное состояние после выключезовалось стробоскопическое освещение 2, при котором ния поля [1,3,4,6–8]. Установлено, что эти особенности частота следования световых импульсов (длительностью зависят от напряженности и времени воздействия поля, менее 1 µs) совпадала с частотой изменения поля, что а также от температуры и предыстории. Для объяснения позволяло с помощью блока задержки 4 визуализировать наблюдаемых эффектов привлекались эффекты экранилюбую стадию эволюции доменной структуры. При нарования деполяризующих полей [6–9].

блюдении статических доменных структур источником Работа посвящена детальному изучению особенностей света служила лампа накаливания 3. Переключение движения ПДС вблизи исходного (равновесного) полопроизводилось знакопеременным напряжением с частожения на примере GMO.

той 30-100 Hz и амплитудой до 300 V, изменяющимся по синусоидальному или линейному закону. Токи пере1. Эксперимент ключения и мгновенные доменные конфигурации регистрировались с помощью IBM PC и видеомагнитофона.

Монокристаллы GMO выращивались из расплава по Ошибка определения мгновенных положений ПДС не методу Чохральского вытягиванием в направлении [001]. превышала 1 µm.

Прямоугольные пластины размером 0.39 2 7mm Плавное и воспроизводимое движение ПДС при цивырезались перпендикулярно полярной оси, и боко- клическом переключении позволяло использовать стровые грани ориентировались параллельно разрешенным боскопическое освещение для определения ее мгновенориентациям ПДС. Выбранная толщина обеспечивала ного положения. Установлены следующие особенности максимальный контраст при визуализации ПДС. Все движения ПДС: 1) смещение из исходного положения грани пластин шлифовались и полировались алмазны- начинается при превышении некоторой амплитуды внешми пастами. На полярные грани методом реактивного него поля (поля старта Est), 2) максимальное смещение Движение плоской доменной стенки в сегнетоэлектрике-сегнетоэластике молибдате гадолиния Однако, после завершения внешнего экранирования, благодаря наличию приповерхностных диэлектрических слоев толщиной L, в объеме существует остаточное деполяризующее поле Edr [12,13].

Edr = Edep - Eescr = 2LPS[L0(d - 2L) +2b0L]- 2LPS(L0d)-1, (2) где PS — спонтанная поляризация, L и b — диэлектрические проницаемости поверхностного слоя и объема, соответственно.

Компенсация Edr происходит путем экранирования в объеме сегнетоэлектрика, за счет перераспределения носителей заряда и поляризации дипольных дефектов [11,12,14]. Достаточно длительное пребывание ПДС в неподвижном состоянии без внешнего поля (в GMO bscr 104 s при T = 300 K) приводит к полному экранированию в объеме Рис. 2. Схема измерительной установки. 1 — обраEdr - Ebscr 0. (3) зец, 2 — стробоскопическая лампа, 3 — лампа накаливания, 4 — блок задержки.

3. Движение ПДС В широком диапазоне полей и температур в GMO xmax зависит от амплитуды переменного поля, 3) после экспериментально наблюдается линейная полевая завивыключения поля ПДС самопроизвольно возвращается в симость скорости движения ПДС [1,3] исходное положение.

Проводились следующие серии экспериментов: 1) изv(Eex) =µ(Eex - Est), (4) мерение зависимости величины смещения ПДС от времени — x(E(t)), 2) циклы измерений xmax(EA) при где µ — подвижность ПДС.

последовательном дискретном увеличении и уменьше- Для объяснения особенностей движения ПДС при смении амплитуды поля EA, 3) измерение зависимости щении из исходного положения рассмотрим изменение xmax от количества циклов переключения при фикси- величины Eloc, которое определяет скорость ее движения. При смещении изменяется деполяризующее поле, рованной амплитуде поля.

создаваемое связанными зарядами в объеме. Внешнее экранирование успевает частично скомпенсировать это 2. Эффекты объемного экранирования изменение, однако объемное экранирующие заряды не успевают перераспределиться. В результате возникает Известно, что движение доменных стенок в сегнеизменение Eloc, вызванное суммой остаточного депотоэлектриках происходит за счет пристеночного зароляризующего поля Edr и поля, создаваемого зарядадышеобразования, вероятность которого определяется ми объемного экранирования, которые компенсировали величиной локального поля Eloc, усредненного по объему деполяризующее поле в исходном положении (эффект порядка размера зародыша [9,10]. Величина Eloc опрепамяти). Пусть ПДС сместилась из исходного положения деляется разностью потенциалов между электродами U, на величину x. Тогда пространственное распределение деполяризующим полем Edep (создаваемым связанными зарядов можно представить в виде двух полос шириной зарядами) и экранирующими полями. Можно выделить x с эффективной поверхностной плотностью заряда вклад внешнего экранирования Eescr (за счет перераспре- = LPSd-1bL (1 + k), (5) деления зарядов на электродах) и объемного экранирования Ebscr, создаваемого объемными зарядами [11,12] где k — степень экранирования (-1 < k < 1).

Введение параметра k позволяет учесть предысторию:

Eloc(r, t) =Eex - [Edep(r, t) - Eescr(r, t) - Ebscr(r, t)] при первом смещении из полностью заэкранированного = Eex - Eloc(r, t), (1) состояния k = 1, в результате длительного циклического переключения k уменьшается, а при достаточно длигде Eex = U/d — внешнее поле, d — толщина пластины.

тельном выдерживании ПДС в смещенном положении Деполяризующее поле замедляет движение ПДС, а k = -1. Следует отметить, что в общем случае в резульэкранирование ослабляет его влияние. Постоянная вре- тате циклического переключения уменьшение величины мени внешнего экранирования escr определяется пара- экранирующих зарядов происходит пространственно неметрами внешней цепи и обычно мала (менее 1 µs). однородно в интервале смещений 0 < x < xmax.

Физика твердого тела, 1999, том 41, № 128 В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, В.П. Куминов, А.Л. Субботин, Е.В. Николаева Легко показать, что в этом случае зависимость поля на ПДС от величины смещения может быть определена из соотношения Eloc(x) =(b0)-1F(x/d), (6) F(x/d) =(1/)[2 arctg(x/d) +(x/d) ln(1 + d2/x2)].

В этом приближении величина поля старта Est зависит Рис. 3. Траектория движения ПДС. Экспериментальные точки от величины смещения, что и объясняет наблюдаемую аппроксимированы зависимостью (11).

остановку ПДС Est =Eloc(x) - Eth, (7) где Eth — пороговое поле, необходимое для образования зародышей [6,7].

Тогда выражение для скорости движения ПДС имеет вид v(Eex, x) =µ[Eex - Eloc(x) - Eth]. (8) Без учета эффектов объемного экранирования ПДС останавливается при смещении из исходного положения на xmax v(Eex, xmax) =0. (9) Из этого условия можно получить соотношение, связывающее Eex и xmax и применимое также при неполном объемном экранировании Рис. 4. Полевая зависимость xmax при увеличении амплитуEex - PSL(1 + k)(L0d)-1F(xmax/d) - Eth = 0. (10) ды поля. Стрелкой показано направление изменения амплитуды поля. Экспериментальные точки аппроксимированы с испольАппроксимация экспериментальных результатов зованием соотношения (10).

xmax(Eex) зависимостью (10) позволяет определить параметры Eth и k. Кроме того, движение ПДС в изменяющемся поле можно описать, используя соотношение Для изучения влияния предыстории на xmax(E) образец длительное время циклически переключался в поле v(t) =dx(t)/dt = µ[Eex - Eloc(x) - Eth]. (11) постоянной амплитуды с фиксированным максимальным смещением xmax. После этого при цикле измерений В результате удается определить подвижность ПДС из как при росте, так и при уменьшении амплитуды поизмерений зависимости величины смещения от времени.

ля наблюдались изломы зависимости xmax(Eex) при xmax =xmax 1 (рис. 5).

4. Обсуждение результатов Для объяснения полученных особенностей предположим, что длительное циклическое движение ПДС в Из анализа движения ПДС (рис. 3) была опреинтервале смещений 0 < xmax < xmax 1 приводит к делена ее подвижность (при комнатной температуре уменьшению поверхностной плотности зарядов объемµ = 1.9 · 10-6 m2/V · s).

ного экранирования и на границе интервала (x) изЗависимость xmax(E) в интервале от 10 до 1500 µm, меняется скачком. Тогда для аппроксимации эксперименполученная при последовательном дискретном увелитальных результатов использовалась сложная функция:

чении амплитуды поля (при первом цикле измерепри xmax < xmax ний), хорошо аппроксимируется соотношением (10) при Eth = 5.6kV/cm (рис. 4, a).

Eex = PSL(1 + k1)(L0d)-1F(xmax/d) +Eth, (12) Следует отметить, что малые (но измеримые) смещения xmax < 10 µm удается наблюдать и при при xmax > xmax E < 5.6kV/cm (рис. 4, b). Этот эффект может быть отнесен за счет влияния пространственной зависимости Eex = PSL(L0d)-1{(1 + k1)F(xmax/d) степени экранирования деполяризующих полей вблизи исходного положения ПДС. +(1 + k2)F[(xmax - xmax 1)/d]} + Eth. (13) Физика твердого тела, 1999, том 41, № Движение плоской доменной стенки в сегнетоэлектрике-сегнетоэластике молибдате гадолиния чения можно последовательно описать, учитывая кинетику объемного экранирования деполяризующих полей.

Предложенный подход является общим и может быть использован при анализе кинетики доменной структуры в других сегнетоэлектрических материалах.

Приведенные исследования выполнены при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 96-02-19588).

Список литературы [1] A. Kumada. Ferroelectrics 3, 115 (1972).

[2] А.Н. Алексеев, М.В. Злоказов, И.В. Осипов. Изв. АН СССР. Сер. физ. 47, 465 (1983).

[3] A. Kumada. Phys. Lett. A30, 3, 186 (1969).

Рис. 5. Полевая зависимость xmax при увеличении и последу[4] R.B. Flippen. J. Appl. Phys. 46, 3, 1068 (1975).

ющем уменьшении амплитуды поля. Экспериментальные точки [5] В.Я. Шур, В.В. Летучев, Е.Л. Румянцев, Т.Б. Чарикова.

аппроксимированы с использованием соотношений (12) и (13).

ЖТФ 55, 8, 1666 (1985).

На вставке — пространственное распределение поверхностной [6] В.Я. Шур, В.П. Куминов, А.Л. Груверман, Е.В. Копылова.

плотности зарядов объемного экранирования при увеличении Изв. АН СССР. Сер. физ. 53, 7, 1403 (1989).

амплитуды поля.

[7] V.Ya. Shur, A.L. Gruverman, V.P. Kuminov, N.A. Tonkachyova.

Ferroelectrics 111, 197 (1990).

[8] В.Я. Шур, В.В. Летучев, Е.Л. Румянцев, Т.Б. Чарикова. ФТТ 28, 9, 2829 (1986).

[9] V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev. Ferroelectrics 191, 319 (1997).

[10] V.Ya. Shur. In: Ferroelectric Thin Films: Synthesis and Basic Properties. Ferroelectricity and Related Phenomena series / Ed. C.A. Paz de Araujo, J.F. Scott, G.W. Taylor.

Gordon & Breach Science Publ. (1996). V. 10. Ch. 6. P. 153.

[11] В.Я. Шур, Ю.А. Попов, Н.В. Коровина. ФТТ 26, 3, (1984).

[12] В.М. Фридкин. Сегнетоэлектрики-полупроводники. Наука, М. (1976). 408 с.

[13] M.E. Drougard, R. Landauer. J. Appl. Phys. 30, 1663 (1959).

Рис. 6. Зависимость максимального смещения ПДС от време[14] P.V. Lambeck, G.H. Jonker. Ferroelectrics 22, 1, 729 (1978).

ни циклического переключения.

Результаты аппроксимации позволяют определить пространственное распределение (рельеф) (x) (рис. 5, на вставке).

Значительный гистерезис смещений (рис. 5) (увеличение смещений при той же амплитуде поля, полученное при дискретном уменьшении амплитуды поля по сравнению с измерениями при увеличении амплитуды) можно объяснить изменением рельефа (x) в процессе длительного измерения.

Для исследования кинетики уменьшения (x) измерялась зависимость величины максимального смещения xmax от количества последовательных циклов переключения при фиксированной амплитуде поля с помощью интегрирования токов переключения. Полученные результаты удовлетворительно аппроксимируются степенной зависимостью (рис. 6), характерной для процессов обусловленных неэкспоненциальной релаксацией.




© 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.