Исследование микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития методом сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния

• Автор: Зеленовский, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Доменная структура сегнетоэлектриков

/. 1.1 Сегнетоэлектрики: основные понятия

/. 1.2 Доменная структура одноосных сегнетоэлектрнков

1.1.3 Механизмы экранирования деполяризующего поля

1.1.4 Сегнетоэпектрические доменные стенки

1.1.5 Эволюция доменной структуры во внешнем электрическом поле

1.1.6 Эффективность экранирования деполяризующего поля

1.2 Монокристаллы ннобата литня

1.2.1 Основные физические свойства ниобата лития
1.2.2 Кристаллическая структура ниобата лития
1.2.3 Переключение поляризации ниобата лития
1.2.4 Пьезоэлектрические свойства ниобата лития
1.2.5 Пироэлектрические свойства ниобата лития
1.2.6 Доменная структура ниобата лития
1.2.7 Переключение поляризации в ниобате лития в результате воздействия интенсивного лазерного
излучения
1.3 Спектроскопия комбинационного рассеяния
1.3.1 Общие представления
1.3.2 Определение частот собственных колебаний
1.3.3 Компьютерное моделирование фононов в кристаллах
1.3.4 Особенности комбинационного рассеяния в ниобате лития
1.4 Методы исследования доменной структуры в ниобате лития
1.4.1 Селективное химическое травление
1.4.2 Сканирующая электронная микроскопия
1.4.3 Оптическая визуализация
1.4.4 Сканирующая зондовая микроскопия
1.4.5 Сканирующая лазерная конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния
1.5 Краткие выводы
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2 ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Исследованные монокристаллы семейства ниобата лития
2.2 Экспериментальные установки
2.2.1 Установка для создания периодической доменной структуры
2.2.2 Установка для облучения пластин ниобата лития интенсивным лазерным излучением
2.2.3 Установки для исследования доменной структуры методом сканирующей лазерной
конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния
2.2.4 Установки для визуализации доменной структуры методами сканирующей зондовой
микроскопии
2.2.5 Установка для изучения воздействия пироэлектрического поля на спектры комбинационного
рассеяния
2.3 Методики создания и исследования доменной структуры
2.3.1 Методика создания периодической доменной структуры

2.3.2 Методика создания нанодоменной структуры облучением импульсным лазером
2.3.3 Методика изучения воздействия пироэлектрического поля на спектры комбинационного
рассеяния
2.3.4 Методика выявления доменов селективным химическим травлением и их визуализация
оптической и атомно-силовой микроскопией
2.3.5 Методика визуализации доменов без травления силовой микроскопией пьезоэлектрического
отклика
2.3.6 Методика визуализации доменов без травления методом сканирующей лазерной конфокальной
микроскопией комбинационного рассеяния
2.4 Краткие выводы
3 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДОМЕННЫХ СТЕНОК МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ
ЛАЗЕРНОЙ КОНФОКАЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
3.1 Нейтральные доменные стенки
3.1.1 Изменение параметров спектральных линий: частота, полуширина, интегральная
интенсивность
3.1.2 Влияние легирования
3.1.3 Влияние химического травления
3.2 Заряженные доменные стенки
3.2.1 Домены, полученные в результате лазерного облучения
3.2.2 Сравнение результатов облучения инфракрасным и ультрафиолетовым излучением
3.3 Визуализация полосовых нанодоменов и нанодоменных цепей
3.3.1 Визуализация доменных структур на поверхности
3.3.2 Визуализация нанодоменов в объеме
3.4 Краткие выводы
4 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕПОЛЯРИЗУЮЩИХ ПОЛЕЙ
4.1 Релаксация пироэлектрического поля в кристаллах ниобата лития
4.2 Расчет пространственного распределения компонент электрического поля вблизи заряженной
доменной стенки
4.3 Краткие выводы
5 РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СПЕКТР
КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ
5.1 Компьютерное моделирование спектра колебательных мод пнобата лития
5.1.1 Методика компьютерного моделирования
5.1.2 Оптимизация кристаллической структуры ячейки ниобата лития
5.1.3 Расчет силовых констант и эффективных зарядов
5.1.4 Расчет частот поперечных фононов
5.1.5 Расчет частот продольных фононов
5.2 Расчет колебательных спектров ниобата лития в электрическом поле
5.2.1 Расчет деформаций кристаллической решетки в электрическом поле
5.2.2 Расчет параметров деформированной кристаллической решетки ниобата лития
5.2.3 Влияние продольного и поперечного электрических полей на колебательные спектры
элементарной ячейки ниобата лития
5.2.4 Сравнение с экспериментом
5.3 Краткие выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
БИБЛИОГРАФИЯ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Методом валентных связей было показано, что при слабом легировании примесные ионы преимущественно замещают антисайты ниобия 1МЪу , что приводит к уменьшению количества вакансий необходимых для
компенсации избыточного положительного заряда [138]. При этом кристаллическая структура становится более правильной, по сравнению со структурой кристаллов чистого конгруэнтного ЫЧ. После вытеснения N6у примесные ионы начинают занимать места лития. Постепенно структурные изменения, вносимые в решетку примесями, накапливаются, и по достижении определенной пороговой концентрации начинается замещение ниобия. Описанный механизм легирования подтверждается рядом спектроскопических исследований [70, 85, 86], а рассчитанные значения пороговых концентраций для различных видов примесей согласуются с данными экспериментов [138].
1.2.3 Переключение поляризации ниобата лития
При охлаждении ниже температуры Кюри в результате сегнетоэлек-трического фазового перехода за счет относительного смещения атомов 1Л, N6 и О возникает спонтанная поляризация (электрический дипольный момент). Направление спонтанной поляризации может быть изменено приложением внешнего электрического поля.
В процессе переключения поляризации катионы ТЧЬ3 ‘ должны сместиться в направлении поля в пределах одного октаэдра, а катионы 13' должны пересечь грань верхнего кислородного октаэдра, которая представляет собой потенциальный барьер (Рис. 12). В связи с этим, в первую очередь происходит смещение катионов Мэ5+, приводящее к уменьшению расстояния между катионами 1л+ и 1ЧЬ5' и возникновению силы отталкивания, которая способствует смещению катиона 1л+ в противоположную сторону от 1ЧЬ5+, т.е. по направлению внешнего электрического поля. В то же время смещение 1ЧЬ5+ приводит к уменьшению энергетического барьера для катионов 1л+, пересекающих грань нижнего октаэдра [139, 140].