Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 13
1.1 Сегнетоэлектрики 13
1.1.1 Деполяризующее поле 13
1.1.2 Внешнее экранирование 15
1.1.3 Объёмное экранирование 17
1.1.4 Кинетика доменной структуры в электрическом поле 18
1.1.5 Неэффективность экранирования деполяризующего поля 21
1.1.6 Стадии роста изолированных доменов 22
1.1.7 Форма изолированных доменов 24
1.1.8 Кинетика доменов в сильнонеравновесных условиях. Дискретное переключение. Эффект коррелированного зародышеобразования 28
1.2 Германат свинца 33
1.2.1 Основные физические свойства 33
1.2.2 Доменная структура 34
1.3 Ниобат лития и танталат лития 34
1.3.1 Основные физические свойства 35
1.3.2 Влияние отклонений от стехиометрии и легирующих примесей на свойства кристаллов 36
1.3.3 Электропроводность 37
1.4 Методы исследования доменной структуры 38
1.4.1 Селективное химическое травление 38
1.4.2 Оптические методы 39
1.4.3 Визуализация доменов методом силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика 41
1.4.4 Визуализация доменов методом сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния 42
1.5 Изменение доменной структуры в ниобате лития и танталате лития под действием пироэлектрического поля 44
1.5.1 Пироэлектрический эффект 44
1.5.2 Переключение поляризации в результате цикла нагрев/охлаждение 45
1.6 Влияние лазерного излучения на доменную структуру в монокристаллах ниобата лития и танталата лития 46
1.6.1 Эффект уменьшения поля зародышеобразования 47
1.6.2 Формирование самоорганизованных доменных структур 49
1.7 Краткие выводы 56
Постановка задачи 58
ГЛАВА 2 Исследованные образцы, методики и экспериментальные установки 59
2.1 Образцы монокристаллов германата свинца 59
2.2 Образцы монокристаллов ниобата лития 60
2.2.1 Конгруэнтный ниобат лития 60
2.2.2 Стехиометрический ниобат лития 60
2.2.3 Ниобат лития легированный магнием 60
2.3 Образцы монокристаллов танталата лития 61
2.4 Экспериментальные установки и методы 61
2.4.1 Исследование кинетики доменной структуры в германате свинца 61
2.4.1.1 Экспериментальная установка 61
2.4.1.2 Методика эксперимента 62
2.4.2 Измерение температурной зависимости пироэлектрического поля в ниобате лития при нагреве и охлаждении с контролируемой скоростью 63
2.4.2.1 Экспериментальная установка 63
2.4.2.2 Экспериментальная методика 64
2.4.3 Нагрев пропусканием импульсов тока вдоль металлического электрода 66
2.4.3.1 Экспериментальная установка 66
2.4.3.2 Экспериментальная методика 67
2.4.4 Импульсное облучение сильно поглощаемым лазерным излучением 68
2.4.5 In-situ визуализация кинетики доменной структуры в результате импульсного лазерного облучения 69
2.5 Краткие выводы 71
ГЛАВА 3 Исследование кинетики доменной структуры в монокристаллах германата свинца в широком диапазоне скоростей бокового движения доменных границ 72
3.1 Рост шестиугольных доменов при медленном движении доменных границ 73
3.2 Формирование лабиринтовой доменной структуры при быстром движении доменных границ 74
3.3 Аномальная кинетика доменной структуры при сверхбыстром движении доменных границ 77
3.4 Краткие выводы 78
ГЛАВА 4 Исследование переключения поляризации в монокристаллах ниобата Лития в результате однородного нагрева и охлаждения 80
4.1 Исследование изменения пироэлектрического поля при нагреве и охлаждении с контролируемой скоростью. 80
4.2 Моделирование изменения величины пироэлектрического поля при нагреве и охлаждении с постоянной скоростью 83
4.3 Исследование изменения размеров изолированных доменов в результате нагрева и охлаждения 87
4.4 Краткие выводы 90
ГЛАВА 5 Исследование формирования доменной структуры в ниобате лития и танталате лития в результате импульсного нагрева 91
5.1 Нагрев пропусканием импульсов тока вдоль металлического электрода на полярной поверхности 91
5.2 Облучение инфракрасными лазерными импульсами 93
5.2.1 Кинетика формирования доменной структуры в результате импульсного лазерного облучения 94
5.2.2 Зависимость параметров доменной структуры от условий облучения 98
5.3 Особенности формирования доменных структур, индуцированных инфракрасным лазерным излучением, в ниобате лития, легированном MgO 105
5.4 Облучение серией импульсов инфракрасного лазерного излучения 106
5.5 Облучение ультрафиолетовыми лазерными импульсами 108
5.6 Самоорганизованные доменные структуры в танталате лития 112
5.7 Формирование регулярных нанодоменных структур в ниобате лития, легированном MgO, при неоднородном облучении 114
5.8 Краткие выводы 119
Основные результаты и выводы работы 121
Благодарности 123
Условные обозначения 124
Библиография 127
Список публикаций по теме диссертации 140
- Кинетика доменов в сильнонеравновесных условиях. Дискретное переключение. Эффект коррелированного зародышеобразования
- Формирование самоорганизованных доменных структур
- Формирование лабиринтовой доменной структуры при быстром движении доменных границ
- Моделирование изменения величины пироэлектрического поля при нагреве и охлаждении с постоянной скоростью
Введение к работе
Актуальность темы. Исследование кинетики структурных фазовых переходов в физике конденсированного состояния представляет значительный интерес для изучения общих закономерностей кинетики фазовых превращений. Особый интерес представляют сегнетоэлектрические кристаллы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой можно изменять воздействием электрического поля. Процесс переключения поляризации, сопровождаемый изменением доменной структуры (ДС) за счет образования и роста доменов в поле, может быть рассмотрен как аналог фазового превращения при фазовом переходе первого рода.
Изучение влияния процессов экранирования на эволюцию ДС представляет собой важную фундаментальную проблему физики сегнетоэлектриков. В качестве модельных объектов для таких исследований могут быть использованы одноосные сегнетоэлектрики германат свинца PbsGesOn, ниобат лития ЫМЮз и танталат лития ЫТаОз обладающие простой и наблюдаемой оптическими методами ДС.
Сегнетоэлектрические кристаллы ниобата лития и танталата лития обладают большими значениями нелинейно-оптических и электрооптических коэффициентов и широко используются для создания нелинейно-оптических устройств. Кристаллы ниобата лития с прецизионной регулярной доменной структурой (РДС) с микронными периодами используются для выполнения условия фазового квазисинхронизма при преобразовании длины волны лазерного излучения. В настоящее время рассматривается возможность перехода к субмикронным периодам доменных структур, что откроет возможность создания принципиально нового класса электрооптических и нелинейно-оптических устройств. Особый интерес представляет реализация эффекта параметрической генерации света обратной волны. В кристалле с периодом доменной структуры менее 3 мкм (для большей эффективности - менее микрона) может быть получена без резонатора стабильная по спектру и мощности параметрическая генерация света. Кроме того кристаллы ниобата лития и танталата лития с субмикронными РДС позволят создать электрооптические переключаемые Брэгговские решетки для спектрально-селективной коммутации когерентного излучения.
Традиционные методы создания РДС, среди которых, несомненно, лидирует приложение внешнего электрического поля, не позволяют создать прецизионные субмикронные ДС. В последние годы показано, что при сильнонеравновесных условиях переключения, обусловленных неэффективным экранированием деполяризующих полей, возникает самоорганизованная ДС, состоящая из нанодоменных лучей [1]. Известно несколько методов реализации сильнонеравновесных условий переключения: «сверхбыстрое переключение» в сверхсильных полях, модификация поверхностного слоя и переключение пироэлектрическим полем после импульсного нагрева, в частности, лазерным облучением. Кинетика доменов при переключении в сверхсильных полях и при воздействии пироэлектрического ПОЛЯ до сих пор не исследовалась систематически.
Последовательное исследование кинетики формирования нанодоменных структур открывает пути к развитию нанодоменной инженерии и формированию РДС с заданными параметрами.
Таким образом, изучение кинетики нанодоменных структур в одноосных сегнетоэлектриках в сильнонеравновесных условиях переключения имеет важное фундаментальное и прикладное значение.
Целью работы является экспериментальное исследование формирования нанодоменных структур в сильнонеравновесных условиях, обусловленных неэффективным экранированием деполяризующих полей, реализуемых при «сверхбыстром движении» доменных стенок в германате свинца и при воздействии пироэлектрического поля в ниобате лития и танталате лития.
Для реализации цели были сформулированы следующие основные задачи:
Исследовать кинетику доменной структуры в германате свинца в широком диапазоне скоростей бокового движения доменных границ.
Исследовать и рассчитать температурную зависимость пироэлектрического поля в ниобате лития при однородном нагреве и охлаждении.
Исследовать изменение размеров изолированных несквозных доменов с заряженными стенками в результате нагрева и охлаждения.
Исследовать формирование доменной структуры после нагрева поверхности пропусканием импульсов тока вдоль электрода.
Исследовать с высоким разрешением по времени кинетику доменной структуры после локального нагрева импульсами ИК лазерного излучения.
Исследовать зависимости параметров нанодоменных структур, формирующихся в результате локального лазерного нагрева, от температуры пластины, длительности и количества импульсов.
Исследовать процессы формирования регулярных доменных структур в ниобате лития и танталате лития.
Объекты исследования.
Формирование нанодоменных структур исследовалось в монокристаллах трех различных одноосных модельных сегнетоэлектриков.
Германат свинца PbsGesOn (PGO) обладает уникальными свойствами -оптической активностью, знак которой зависит от направления спонтанной поляризации, что позволяет визуализировать домены, и воспроизводимой кинетикой доменов при циклическом переключении, что позволяет использовать стробоскопическое освещение для исследования кинетики ДС в широком диапазоне времен переключения с высоким разрешением по времени.
Конгруэнтный ниобат лития ЫМЮз (CLN), легированный MgO конгруэнтный ниобат лития (MgO:CLN) и конгруэнтный танталат лития ЫТаОз (CLT) широко применяются в нелинейно-оптических устройствах. Они обладают большими электрооптическими и пироэлектрическими коэффициентами, что открывает уникальные возможности для визуализации ДС при переключении в пироэлектрическом поле, а также для исследования температурной зависимости пироэлектрического поля при однородном нагреве и охлаждении с контролируемой скоростью и процесса формирования самоорганизованных нанодоменных структур в результате импульсного лазерного облучения.
Научная новизна работы заключается в комплексном исследовании процесса формирования самоорганизованных микро- и нанодоменных структур в одноосных сегнетоэлектриках в сильнонеравновесных условиях переключения.
Впервые показано, что в германате свинца при неполном экранировании формируется фрактальная доменная структура, а при неэффективном экранировании перед стенкой возникают субмикронные изолированные домены.
Обнаружен температурный гистерезис пироэлектрического поля в ниобате лития и рассчитана зависимость его параметров от условий нагрева/охлаждения.
Впервые экспериментально показано, что несквозные домены, в отличие от сквозных, увеличиваются при нагреве и уменьшаются при охлаждении.
Впервые получен ориентированный рост доменных лучей в пироэлектрическом поле после нагрева поверхности пропусканием тока вдоль электрода.
Впервые выявлены стадии формирования нанодоменной структуры после ИК облучения, зависимости от времени общей длины доменных лучей и анизотропии их роста.
Зависимости параметров нанодоменных структур, полученных после локального лазерного нагрева, от температуры пластины и длительности импульса объяснены переключением под действием пироэлектрического ПОЛЯ.
Впервые выявлен эффект потери устойчивости формы доменной стенки после серии ИК лазерных импульсов.
Показана возможность формирования регулярных доменных структур в ниобате лития при многократном неоднородном импульсном нагреве, что открывает возможности для создания нелинейно-оптических устройств нового поколения.
Практическая значимость
Полученные результаты создают фундаментальные основы для развития качественно нового направления доменной инженерии, связанного с созданием субмикронных регулярных доменных структур в монокристаллах семейства ниобата лития и танталата лития для нового поколения устройств нелинейной оптики. В том числе, устройств, использующих эффект параметрической генерации света обратной волны, а также электрооптических переключаемых Брэгговских решеток для спектрально-селективной коммутации когерентного излучения. Кроме того при производстве нелинейно-оптических устройств с использованием фотолитографии неизбежна термическая обработка фоторезиста, что приводит к изменению созданной доменной структуры или монодоменного состояния за счет неконтролируемого воздействия пироэлектрического поля. Полученные в работе результаты открывают возможность расчета оптимальных режимов нагрева и охлаждения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного аттестованного оборудования, использованием независимых методов обработки данных, согласием с экспериментальными результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается использованием современного программного обеспечения, обоснованностью принятых допущений, точностью математических методов решения, выкладок и расчетов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Формирование фрактальной доменной структуры в германате свинца при неполном экранировании и возникновение субмикронных изолированных доменов при неэффективном экранировании.
Зависимость параметров температурного гистерезиса пироэлектрического поля в LN от условий нагрева/охлаждения.
Изменение размеров несквозных доменов в LN при нагреве и охлаждении.
Ориентированный рост доменных лучей в пироэлектрическом поле после нагрева полярной поверхности пропусканием тока.
Стадии формирования нанодоменной структуры после ИК облучения и зависимости от времени длины доменных лучей и анизотропии их роста.
Эффект потери устойчивости формы доменной стенки в LN после серии ИК лазерных импульсов.
Формирование регулярных доменных структур в ниобате лития при многократном неоднородном импульсном нагреве.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на 18 всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Международном симпозиуме по нанофизике и наноэлектронике (25-29.03.2005, Нижний Новгород), XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (26-30.06.2005, Пенза), IIі International Meeting on Ferroelectricity (5-9.09.2005, Foz do Iguacu-Puerto Iguazu, Brazil-Argentina), International Symposium "Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics" (15-19.11.2005, Ekaterinburg), 60M международном семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (18-22.10.2006, Астрахань), 19 International Symposium on Integrated Ferroelectrics (8-12.05.2007, Bordeaux, France), 2nd International Symposium "Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics" (22-27.08.2007, Ekaterinburg), 6ой Всероссийской школе-конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)" (14-20.10.2007, Воронеж), XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (12-14.06.2008, Санкт-Петербург), Зг International Symposium "Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics" (13-18.09.2009, Ekaterinburg), 6 International Seminar on Ferroelastic Materials (22-
Voronezh), 7ой Всероссийской школе-конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)" (28.09-2.10.2009, Воронеж), 7ой Курчатовской молодёжной научной школе (10-12.11.2009, Москва), XXIII российской конференции по электронной микроскопии (31.05-04.06.2010, Черноголовка), 10 Russia/CIS/Baltic /Japan Symposium on Ferroelectricity (20-24.06.2010, Yokohama, Japan), International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (5-8.07.2010, St. Petersburg - Pushkin), 10 International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (20-24.09.2010, Prague, Czech Republic), XI Всероссийской молодёжной школы-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) памяти академика Литвинова Б.В. (15-
Екатеринбург).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 29 печатных работах, из них 5 статей во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях и 24 тезиса российских и международных конференций. Диссертационная работа выполнена в лаборатории сегнето-электриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики ФГБОУ ВПО "Уральский государственный университет им. A.M. Горького" в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке грантов Федерального агентства по образованию: П870, «Развитие методов доменной инженерии для формирования прецизионных периодических микро- и на-нодоменных структур в сегнетоэлектриках и разработка преобразователей длины волны лазерного излучения на их основе» (2009-2011); Федерального агентства по науке и инновациям: 02.740.11.0171 «Высокоточные измерительные приборы и высокоэффективные функциональные устройства на основе новых физических принципов» (2009-2011), 02.552.11.7069 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области разработки наноструктурированных сред с улучшенными магнитными, электрическими и оптическими свойствами для функциональной электроники в Уральском центре коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрГУ им. A.M. Горького» (2009-2011).
Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром и к.ф.-м.н. Д.К. Кузнецовым. Все эксперименты, включая анализ и обработку результатов, и компьютерное моделирование пироэлектрических полей проводилось автором лично. Исследование доменных структур методами сканирующей зондовой микроскопии проводилось совместно с А.В. Иевлевым и В.А. Лебедевым. Исследование доменных структур методами сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния проводилось совместно с П.С. Зеленовским, М.С. Небогатиковым и Д.О. Аликиным.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 145 страниц, включая 74 рисунка, список условных обозначений и библиографию из 114 наименования.
Кинетика доменов в сильнонеравновесных условиях. Дискретное переключение. Эффект коррелированного зародышеобразования
Проведенные расчеты пространственного распределения Erd по пери-метру домена с учетом существования за стенкой шлейфа нескомпенсиро-ванных связанных зарядов, показали, что напряженность Erd в углах много-угольного домена значительно больше, чем на сторонах (Рис. 5). Из этого следует, что вероятность возникновения ступеней на углах многоугольника значительно выше, чем на сторонах. Эта особенность распределения поля по-зволяет объяснить, почему только углы являются центрами генерации ступе-ней, что и наблюдается экспериментально (эффект детерминированного за-родышеобразования) [23].
Кроме того, следует учесть, что скорость бокового роста ступеней вдоль доменной стенки является анизотропной, и ступени растут только вдоль трех Y- кристаллографических направлений. Наблюдаемая форма изолированного домена является результатом конкуренции процессов образования ступеней на углах многоугольника и их роста вдоль соответствующих направлений.
Рост ступеней осуществляется за счет образования и прорастания вдоль полярного направления 1D зародышей. Согласно изложенной выше теории такой процесс также связан с формированием нескомпенсированных связанных зарядов. Это в свою очередь, при условии, что R 1, должно привести к нарастанию тормозящего поля на фронте ступени и как следствие к ее тор-можению. Надо отметить, что данный процесс может нарастать лавинооб-разно, поскольку Edep на фронте данной ступени есть сумма полей от всех ос-тальных ступеней. Таким образом, варьируя условия, при которых происхо-дит экранирование можно получить любое соотношение между скоростями генерации и роста ступеней. Согласно схеме роста, приведенной на Рис. 6 при R 1 домен, приоб-ретает форму правильного шестиугольника. В этом случае скорость роста ступеней превышает скорость их образования. Домены данной формы на-блюдаются именно в LN и SLT, поскольку экспериментальные измерения показали, что процессы внутреннего экранирования в этих материалах про-текают намного быстрее (scr = 50 – 100 мс), чем в CLT (scr 1 c).
Рассмотрим подробнее эффект запаздывания объёмного экранирования на примере сдвига плоской доменной стенки из заэкранированного состояния в плоском сегнетоэлектрическом конденсаторе с диэлектрическим зазором (Рис. 8). Пусть зародышеобразование проходит только на доменной стенке (генерация ступеней и их рост). Причем генерация ступеней представляет со-бой стохастическое зародышеобразование, то есть возникновение новой сту-пени равновероятно вдоль всей стенки. С учетом того факта, что скорость прорастания образовавшегося домена в полярном направлении во много раз превышает скорость бокового движения стенки, ограничимся двумерным приближением при расчете электрических полей и рассмотрим только парал-лельный сдвиг доменной стенки.
Рассмотрим ситуацию, когда процессы внутреннего экранирования протекают настолько медленно, что при сдвиге доменной стенки во внешнем поле пространственное распределение поля объемного экранирования не из-меняется. Уменьшение переключающего поля на стенке после сдвига домен-ной стенки связано не только с изменением знака связанных зарядов, но и с полем зарядов, экранировавших исходное положение доменной стенки.
Таким образом, за доменной стенкой вблизи верхнего электрода обра-зуется слой поверхностного заряда с плотностью 2PS (соответственно у ниж-него электрода -2PS). Наличие диэлектрического зазора приводит к тому, что эти заряды только частично компенсируются быстрым перераспределением зарядов в электродах. Легко показать, что при расчёте тормозящего действия Erd, можно ограничиться рассмотрением упрощенной модели, в которой поле создается плоским полосовым конденсатором. Ширина конденсатора равна величине сдвига доменной стенки x, а плотность заряда - 2b уменьшена по сравнению с 2PS за счет внешнего экранирования:
При таком рассмотрении Erd, усредненное по высоте домена, как функ-ция величины x, задается формулой:
Если предположить, что мгновенная скорость движения доменной стенки пропорциональна напряженности переключающего поля, сущест-вующего на стенке в данный момент времени: то движение доменной стенки будет монотонно замедляться с увеличением сдвига от первоначального положения, ввиду роста тормозящего Erd. При уменьшении Es до величины пороговых полей зародышеобразова-ния стенка вообще остановится. Более того, если в этот момент выключить внешнее поле, то стенка вернется в первоначальное положение (так называе-мое «полное обратное переключение»), под действием Erd и нескомпенсиро-ванного поля не успевших перестроиться экранирующих зарядов. (а) (б) Рис. 9 Образование "цепи доменов" при переключении из полидоменного состояния в PGO в сильном поле [21].
В условиях неэффективного экранирования принято говорить о пере-ключении поляризации в сильно - неравновесных условиях. Эволюция до-менных структур в таких условиях осуществляется за счет «аномального», с точки зрения классического подхода, процесса дискретного переключения.
Первые переключения поляризации в сильнонеравновесных условиях были проведены в монокристаллических пластинах PGO [18]. Было показано, что при переключении из полностью заэкранированного полидоменного со-стояния после включения внешнего поля (более 15 кВ/см) доменная стенка, постепенно замедляясь, смещалась из положения равновесия на 15-30 мкм и вдоль нее на расстоянии 10-40 мкм возникала цепь цилиндрических доменов круглого сечения диаметром менее 10 мкм. Появившиеся домены разраста-лись и сливались с исходным доменом (Рис. 9). Данный эффект получил на-звание «коррелированного зародышеобразования».
Формирование самоорганизованных доменных структур
Самоподобные структуры образуются в результате взаимодействия нанодоменных лучей, растущих вдоль различных выделенных кристаллографических направлений. Взаимодействие лучей приводит к смене направления роста одного из лучей (эффект «отражения»). Многократные отражения лучей приводят к формированию доменной структуры состоящей из треугольников и зигзагообразных кривых (Рис. 17а). (а
Следует отметить, что расстояние взаимодействия лучей (расстояние отражения) зависит от условий облучения. При увеличении интенсивности лазерного излучения наблюдается увеличение расстояния взаимодействия между доменными лучами.
Увеличение плотности энергии лазерного излучения приводит к появ-лению эффекта «ветвления», который заключается в образовании новых на-нодоменных лучей вблизи уже существующих. Ветви новых поколений за-полняют свободное пространство между существующими лучами, тем самым увеличивая плотность формирующихся самоподобных структур (Рис. 17б).
Было высказано предположение, что формирование нанодоменных структур в CLN в результате лазерного импульсного облучения происходит под действием пироэлектрического поля Epyr, вызванного изменением вели-чины спонтанной поляризации в процессе нагрева и охлаждения при запаз-дывании экранирования.
Различия в типах доменных структур на краю и в центре облученной зоны в случае однородного распределения плотности энергии в пучке можно объяс-нить следующим образом. Образование изолированных доменов на краю об-лученной зоны обусловлено тем, что эта область граничат с окружающим холодным объемом образца, и после окончания действия лазерного излуче-ния отдают тепло не только вглубь образца, но и соседним холодным облас-тям, в то время как в центре облученной зоны охлаждение возможно только вглубь образца, поэтому оно происходит медленнее. Таким образом, из-за большей скорости остывания на краю облученной зоны достигается более высокое значение пироэлектрического поля. Медленное остывание в центре облученной зоны приводит к образованию слабого пироэлектрического поля, которое не может создать новых доменов, но способствует разрастанию уже существующих доменов.
С помощью компьютерного моделирования было построено пространственное распределение Epyr на поверхности образца для момента времени, соответствующего 50 мкс после окончания импульса лазерного излучения. Было обнаружено, что пространственное распределение Epyr имеет особенность на краю облученной зоны, заключающуюся в наличии максимумов вблизи её края – в переключающем направлении изнутри, и в подавляющем переключение направлении снаружи (Рис. 18а).
Эта особенность объясняет оба экспериментально наблюдаемых эф-фекта – аномально высокую концентрацию зародышей на краю облученной зоны, и резкую границу между областью, покрытой зародышами, и областью, в которой отсутствует какое-либо переключение. При этом если наличие пи-ка в переключающем направлении в распределении Epyr объясняется быст-рым охлаждением участков образца на границе облученной зоны, то пик Epyr в подавляющем направлении, очевидно, обусловлен нагревом соответствую-щих участков. Участки в образце, граничащие с облученной зоной, нагрева-ются, получая тепло от соседних нагретых участков внутри облученной зоны, в результате чего в них из-за запаздывания внешнего экранирования присут-ствует подавляющее переключение Epyr. Таким образом, быстрый перенос тепла на границе облученной зоны от внутренних областей наружным при-водит к существованию такого двойного пика в пространственном распреде-лении Epyr, обеспечивающего увеличенную вероятность зародышеобразова-ния на границе облученной зоны, и его полным подавлением снаружи (Рис. 18а). На Рис. 18б показан участок границы зоны в LN облученной CO2 лазер-ным импульсом, на которой наблюдаются оба эффекта, предсказанные моде-лью. Кроме того, видно, что пространственные масштабы, так же близки – область с повышенной вероятностью зародышеобразования имеет ширину порядка 20 мкм, и далее на расстоянии порядка 5 мкм зародышеобразование оказывается уже полностью подавленным.
В случае использования источников лазерного излучения с распреде-лением мощности излучения в пучке по Гаусса описанный выше краевой эф-фект, как правило, отсутствовал, а наиболее интенсивно переключение не-редко происходило вдали от края облученной зоны. В этом случае градиент температуры в горизонтальном направлении по всей площади облученной зоны небольшой, поэтому скорость перераспределения тепла в горизонталь-ном направлении во всех областях приблизительно одинакова и невысокая, не обеспечивающая заметных неоднородностей Epyr. С другой стороны, при-сутствует неоднородность градиента температуры вдоль полярной оси, так как центр зоны нагрет существенно сильнее, чем ее края из-за большей плот-ности излучения в центре пучка. В результате этого, охлаждение централь-ной части облученной зоны вглубь образца происходит быстрее, и величина возникающего на стадии охлаждения переключающего Epyr в центре облу-ченной зоны больше, чем по краям.
Существенное влияние градиента температуры в полярном направле-нии на величину переключающего поля Epyr при импульсном лазерном облу-чении было продемонстрировано с помощью компьютерного моделирования. На Рис. 19 представлены зависимости максимальных значений Epyr вдали от краев облученной зоны, и на ее краю, от длительности лазерного импульса. Видно, что при увеличении длительности импульса величина Epyr падает.
Формирование лабиринтовой доменной структуры при быстром движении доменных границ
В данной главе представлены результаты исследования кинетики ДС в PGO в различных условиях переключения, связанных с изменением скорости бокового движения доменных границ. Дискретный характер переключения и проявление эффекта коррелированного зародышеобразования за счет образо-вания шлейфа нескомпенсированного заряда за движущейся доменной гра-ницей (см. 1.1.8) впервые наблюдались в монокристаллах PGO [18]. Было об-наружено формирование изолированных микронных доменов перед домен-ной границей. Отсутствие высокоразрешающих методов визуализации ДС не позволяло исследовать возникающие структуры с субмикронным разрешени-ем. Современное развитие таких методов позволяет изучать ДС в сегнето-электриках с точностью до единиц нанометров.
Монокристаллы PGO предоставляют уникальную возможность для ис-следований возникновения нанодоменных структур при переключении поля-ризации в условиях неэффективного экранирования (R 1) [111]. Во-первых, это единственный сегнетоэлектрический кристалл, который обладает естественной оптической активностью, знак которой зависит от направления спонтанной поляризации [22]. Во-вторых, кинетика доменной структуры в PGO при циклическом переключении поляризации детально воспроизводит-ся в широком диапазоне прикладываемых электрических полей [106], что по-зволяет использовать стробоскопический метод визуализации мгновенных доменных конфигураций [107].
Движение доменной границы как целого определяется распределением Es, которое в свою очередь зависит от ширины шлейфа нескомпенсированно-го заряда. При увеличении скорости движения доменной границы ширина шлейфа будет расти и, соответственно, будет увеличиваться его влияния на кинетику ДС.
Кинетика доменной структуры при равновесном переключении поля-ризации в PGO представляет собой рост доменов шестиугольной формы, со-ответствующей симметрии кристалла (C3), и осуществляется за счёт образо-вания и роста элементарных ступеней на доменных границах [21]. Такой рост доменов наблюдался в полях незначительно превышающих пороговое значе-ние. При времени переключения порядка нескольких секунд средняя ско-рость бокового движения границ составляла около 0,1 мм/с. При этом по-стоянная времени внешнего экранирования (RC внешней цепи) составляла порядка 10 мкс. После завершения внешнего экранирования величина оста-точного деполяризующего поля, возникающего за движущейся границей, рассчитанная по формуле (3), равнялась 2104 В/м, что на порядок меньше коэрцитивных полей в PGO. Таким образом, можно считать, что переключе-ние поляризации происходило в условиях полного экранирования деполяри-зующих полей (R 1).
Можно выделить несколько основных особенностей эволюции ДС при данных условиях переключения поляризации. Процесс переключения проис-ходит за счёт образования и последующего роста небольшого количества изолированных доменов с плотностью более 10 мм-2 (Рис. 29а). При этом, рост доменов (Рис. 29б,в) приводит к их слиянию, после которого форма рас-тущих доменов не изменяется.
Наблюдаемое поведение может быть объяснено в рамках стохастиче-ского зародышеобразования, когда появление 2D зародышей на доменной границе равновероятно по всей её длине и рост изолированного домена про-исходит за счёт параллельного перемещения доменных границ.
Известно, что лабиринтовая доменная структура (ЛДС) возникает в PGO если в процессе охлаждения кристалла после того как он был нагрет выше температуры фазового перехода, прикладывать к нему переменное по-ле с плавно уменьшающейся амплитудой. В этом случае возникает ЛДС, со-стоящая из узких сквозных доменов (Рис. 30), ширина которых зависит от толщины и температуры образца.
В данной работе исследовалось формирование ЛДС при комнатной температуре в процессе переключения поляризации в условиях неполного экранирования деполяризующего поля (R 1), вызванного быстрым движе-нием доменных границ (средняя скорость 10 мм/с), что на два порядка больше чем в случае равновесного переключения. Увеличение скорости дви-жения доменных границ приводит к увеличению ширины шлейфа неском-пенсированных зарядов, и его влиянию на характер переключения. Примене-ние стробоскопического метода позволило с достаточным временным разре-шением визуализировать эволюцию доменной структуры.
Моделирование изменения величины пироэлектрического поля при нагреве и охлаждении с постоянной скоростью
Как было показано выше, увеличение скорости изменения температуры приводит к увеличению напряжённости пироэлектрического поля. В резуль-тате происходит качественное изменение кинетики доменной структуры - образование изолированных доменов сменяется анизотропным ростом узких доменных лучей. Для увеличения скорости нагрева, был использован альтер-нативный метод – нагрев с помощью импульсного CO2 лазера с длиной вол-ны 10.6 мкм. Ниже по тексту вместо «CO2» будем писать «ИК» (инфракрас-ный). В данном случае, параметрами, которые будут определять скорость из-менения температуры и максимальную температуру нагрева, являются плот-ность энергия и длительность лазерного импульса, а также температура кри-сталла во время облучения. В данной главе приведены результаты исследо-вания зависимости ДС от всех этих параметров
Известно, что облучение LN импульсным лазерным излучением приво-дит к формированию самоорганизованных доменных структур (см. 1.6.2). Однако систематических исследований кинетики роста таких структур не производилось.
Необходимо отметить, что формирование доменных структур происхо-дит в результате облучения сильно поглощаемым лазерным излучением. Для LN это излучение ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Воздей-ствие ультрафиолетового излучения на LN приводит помимо нагрева к воз-никновению фотоиндуцированных носителей заряда, влияние которых на процесс формирования ДС необходимо учитывать. В отличие от УФ воздей-ствия, облучение ИК лазером только нагревает кристалл. Ещё одним отличием ИК и УФ облучений является различие коэффи-циентов поглощения. УФ излучение поглощается в приповерхностном слое толщиной около 2 мкм, которая примерно совпадает с глубиной доменов. ИК излучение поглощается на глубине до 50 мкм, что также согласуется с глуби-ной возникающих доменов [100].
С точки зрения исследования кинетики доменной структуры, принци-пиальным отличием между ИК и УФ облучениями является возможность ви-зуализации ДС после ИК облучения с помощью оптической поляризацион-ной микроскопии. В то время как визуализация ДС после УФ облучения воз-можна только после селективного химического травления, что обусловлено очень малой глубиной образующихся доменов.
На основании вышеизложенных отличий, производилось исследование кинетики доменной структуры после ИК лазерного облучения.
Все имеющиеся к настоящему времени данные о самоорганизованных доменных структурах, возникающих в результате импульсного лазерного об-лучения, были получены из анализа стационарных структур. С помощью скоростной видеокамеры впервые был непосредственно визуализирован процесс формирования ДС в результате облучения пластины CLN одиночным ИК импульсом.
Облучение и визуализация кинетики ДС производились с помощью экспериментальной установки, описанной в п. 2.4.5. Полярная Z+ поверх-ность пластины размерами 20x20x0.5 мм облучалась при комнатной темпера-туре одиночным импульсом. Проводились измерения для длительности им-пульса от 1 до 4.5 мс. При этом плотность энергии на поверхности пластины изменялась от 5 до 18 Дж/см2.
В результате непосредственно в процессе формирования ДС были по-лучены серии мгновенных доменных изображений с хорошим контрастом и достаточным разрешением по времени (Рис. 47). Вместе с тем следует отме-тить, что сравнительно низкое пространственное разрешение оптического метода позволяло наблюдать только рост доменных лучей в длину и не по-зволяло изучать уширение лучей (боковой рост). Было обнаружено, что ко-нечная структура является стабильной и в отличие от переключения в элек-трическом поле, отсутствует самопроизвольное обратное переключение.
Визуализация кинетики ДС в неравновесных условиях переключения, вызванных импульсным лазерным нагревом, позволила определить время формирования структуры, которое изменялось от 10 до 90 мс при изменении длительности облучающего импульса от 1 до 4.5 мс. Важно отметить, что пе-реключение начиналось всегда после окончания импульса через некоторый интервал времени, длительность которого увеличивалось от 3 до 35 мс при увеличении длительности импульса. В рамках рассмотренной модели за-держка между окончанием лазерного импульса и началом переключения оп-ределяется временем, необходимым для охлаждения пластины от макси-мальной температуры нагрева до температуры, при которой величина пиро-электрического поля превышает пороговое значение (Рис. 42). Оценка изме-нения температуры поверхности пластины позволила получить результаты близкие к экспериментальным.
Анализ полученных изображений позволил выявить три последова-тельных стадии эволюции доменной структуры: 1) зародышеобразование, 2) рост доменных лучей, и 3) ветвление [96]. На первой стадии происходило образование новых доменов только на краю облученной зоны (Рис. 47а). На Рис. 48 представлено рассчитанное распределение пироэлектрического поля после окончания импульса лазерного облучения [100]. После окончания им-пульса, на краю облученной зоны возникают максимумы поля [100], что уве-личивает вероятность зародышеобразования в этой области. Вторая стадия представляла собой одномерный рост узких доменных лучей от края к центру облученной зоны, преимущественно вдоль трёх Y кристаллографических на-правлений (Рис. 47б). На стадии ветвления появлялись лучи второго поколе-ния, рост которых начинается от лучей первого поколения (Рис. 47в).
Исследование конечной доменной структуры высокоразрешающим ме-тодом СМПО (см. п. 1.4.3) показало, что все лучи представляют собой цепи изолированных нанодоменов, которые становились непрерывными лучами в результате слияния (Рис. 49а).
Похожие диссертации на Формирование нанодоменных структур при переключении поляризации в сильнонеравновесных условиях в монокристаллах германата свинца, ниобата лития и танталата лития
