Исследование переключения поляризации в монокристаллах ниобата лития и танталата лития при повышенных температурах и в результате воздействия электронного луча

• Автор: Чезганов, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 174 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Основные свойства сегнетоэлектриков

1.1.1. Деполяризующее поле

1.1.2. Процессы внешнего и внутреннего экранирования

1.2. Переключение поляризации и кинетика доменной структуры

1.2.1. Переключение поляризации

1.2.2. Зародышеобразование

1.2.3. Основные стадии эволюции доменной структуры

1.2.4. Неэффективное экранирование
1.3. Танталат лития и ниобат лития
1.3.1. Основные физические свойства
1.3.2. Материалы семейства ниобата лития и танталата лития
1.3.3. Доменная структура
1.3.4. Кинетика доменной структуры в ЬИ и ПТ
1.4. Измерение и анализ токов переключения в сегнетоэлектриках
1.4.1. Измерение тока переключения
1.4.2. Модель Колмогорова-Аврами
1.5. Современные методы исследования доменной структуры
1.5.1. Селективное химическое травление
1.5.2. Оптическая микроскопия
1.5.3. Конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния
1.5.4. Сканирующая зондовая микроскопия
1.5.5. Сканирующая электронная микроскопия
1.6. Электропроводность сегнетоэлектриков
1. б. 1. Температурная зависимость электропроводности кристаллов ЬИ и ЬТ
1.6.2. Электропроводность по доменным стенкам
1.7. Формирование доменной структуры при переключении поляризации в результате
воздействия электронного луча
1.8. Краткие выводы
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1. Исследуемые материалы и подготовка образцов
2.1.1. Монокристаллы ниобата лития и танталата лития
2.1.2. Подготовка образцов
2.2. Экспериментальные установки и методики
2.2.1. Переключение поляризации при повышенных температурах
2.2.2. Исследование электропроводности по заряженным доменным стенкам
2.2.3. Переключение поляризации под воздействием фокусированного электронного луча
2.3. Визуализация статической доменной структуры
2.3.1. Селективное химическое травление
2.3.2. Оптическая микроскопия
2.3.3. Конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния
2.3.4. Сканирующая микроскопия пьезоэлектрического отклика
2.3.5. А томно-силовая микроскопия
2.3.6. Сканирующая электронная микроскопия
2.3.7. Сравнение методов визуализации доменной структуры высокого разрешения
2.4. Краткие выводы

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ТОКОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
3.1. Температурная зависимость пороговых полей
3.2. А11АЛИЗ ФОРМЫ ТОКА ПЕРЕКЛЮЧЕ11ИЯ
3.3. Пороговые поля зародышеобразования
3.4. Доменная структура
3.5. Краткие выводы
ГЛАВА 4. ФОРМА ИЗОЛИРОВАННЫХ ДОМЕНОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
4.1 Форма изолированных доменов при комнатной температуре
4.2 Температурная зависимость формы изолированных доменов
4.3 Компьютерное моделирование формы изолированных доменов при повышенных
температурах
4.4 Слияние доменов при комнатной температуре
4.5 Особенности слияния доменов при повышенных температурах
4.6 Краткие выводы
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ ДЕНДРИТНЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В N8
5.1. Приложение одиночного импульса электрического поля
5.2. Приложение двух импульсов электрического поля
5.3. Обсуждение результатов
5.4. Краткие выводы
ГЛАВА 6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПО ЗАРЯЖЕННЫМ ДОМЕННЫМ СТЕНКАМ
6.1. Аномальный ток проводимости
6.2. Зависимость тока проводимости от времени
6.3. Изменение максимального тока проводимости при частичном переключении поляризации
6.4. Краткие выводы
ГЛАВА 7. ФОРМИРОВАНИЕ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА
7.1. Влияние предварительной плазме! нюй очистки
7.2. Формирование изолированных конических доменов в объеме
7.3. Формирование внутриобъемной гребенчатой доменной структуры
7.4. Механизм формирования доменной структуры
7.5. Краткие выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
БИБЛИОГРАФИЯ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение
Переключение поляризации в сегиетоэлектрике под действием электрического поля, представляющее собой образование и рост доменов, рассматривают как аналог фазового перехода первого рода. Поэтому изучение кинетики доменной структуры (ДС) является фундаментальной проблемой физики конденсированного состояния.
При перестройке доменной структуры существенную роль играет эффективность внешнего и объемного экранирования деполяризующего поля. Остаточное
деполяризующее поле после завершения быстрого внешнего экранирования компенсируется медленными процессами объемного экранирования, что в значительной степени определяет кинетику доменной структуры и форму изолированных доменов. Одним из механизмов объемного экранирования является объемная
электропроводность.
Создание стабильной доменной структуры определенной геометрии, разработка и усовершенствование методов ее формирования являются предметом новой отрасли науки и технологии - «доменной инженерии». Основной задачей доменной инженерии является создание в сегнетоэлектриках стабильных регулярных доменных структур (РДС) для улучшения нелинейно-оптических, электрооптичсских и акустических характеристик, например, для изготовления эффективных преобразователей частоты когерентного излучения. Наибольшие успехи достигнуты в монокристаллах ниобата лития (ЬИ) и танталата лития (ЬТ), обладающих большими значениями электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов. Для создания регулярных доменных структур прикладывают пространственно-неоднородное поле с помощью системы электродов, создаваемой литографией. Для подбора оптимальных параметров требуется понимание закономерностей кинетики доменной структуры и процессов объемного экранирования, стабилизирующих созданную доменную структур. Исследование кинетики доменов и экранирования при температурах до 300°С представляет значительный интерес, поскольку повышение температуры существенно снижает пороговые поля и изменяет форму доменов. Аномальное возрастание электропроводности по доменным стенкам затрудняет создание регулярных доменных структур.

характерный размер (радиус) изолированного домена, а - вероятность зародышеобразования, п - размерность задачи (может принимать только целые значения).
В рамках модели К-A рассматриваются две модели зародышеобразования [71]: (а) а -модель - образование новых доменов происходит в течение всего процесса переключения поляризации с постоянной вероятностью, (б) /3-модель — формирование доменов происходит в момент начала переключения с удельной плотностью /3, а дальнейшее переключение происходит за счет их роста.
При рассмотрении самой простой ситуации постоянства движущей силы в
течение всего процесса переключения скорость роста домена и вероятность
появлениях новых а считаются постоянными и R('Qt) — v(t-Q. В этом случае выражения для зависимости относительной площади переключенной области от времени приобретают вид: для а -модели:
,.Л Г cavnt7l+'i'
q(t) = exp [ j = exp
для (3-модели:
q(t) = ехр[—c(Svntn] = exp |— ]> (1-13)

где t0a = [(n + l)-1cann] n+i и t0p = (с/?цп) n- характерные времена процесса для а и /3 модели соответственно.
Впервые теория К-A была использована для анализа экспериментальных результатов в сегнетоэлектриках Ишибаши и Такаги [67].
Использование для аппроксимации токов переключения целочисленных значений п приводило к неудовлетворительным результатам. По этой причине предпринимались попытки анализа данных путем варьирования как параметра to, так и п, что в результате приводило к нецелым значениям параметра п [67,73,74]. Было сделано предположение [67], что выявленное отличие размерности роста домена от пространственной размерности задачи обусловлено взаимосвязью с их

(1.12)