Теоретические исследования статики и динамики упругих доменов в сегнетоэлектрических тонких пленках

• Автор: Емельянов, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 213 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
"лава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОМЕННЫХ 'ТРУКТУР В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ И СЕГНЕТОЭЛАСТЖАХ (Обзор литературы)

.1. Введение

.2. Домены и доменные стенки в объемных сегнетоэлектриках и сегнетоэластиках

1.2.1. Статика 180° и 90° доменов в макроскопических кристаллах

1.2.2. Ширина и собственная энергия доменных границ в сегнетофазе

1.2.3. Динамика доменных стенок во внешних электрических и механических полях

.3. Сегнетоэластические домены в эпитаксиальных пленках

1.3.1. Оксидные тонкие пленки: получение, структура, свойства

1.3.2. Наблюдение упругих доменов в эпитаксиальных сегнетоэлектрических пленках
1.3.3. Теоретические исследования 90° доменов в эпитаксиальных тонких пленках
.4. Заключение. Постановка задачи.
лава 2. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДОМЕНА НА СТАТИКУ
Ю° СТРУКТУР В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ
Ï.I. Введение
1.2. Общий метод построения дислокационных моделей источников напряжений
1.3. Дислокационно-дисклинационные модели dale и aida структур в эпитаксиальном слое
1.4. Упругая энергия гетероструктуры и равновесный размер доменов
1.5. Диаграмма устойчивости доменов в тетрагональной пленке на кубической подложке
1.6. Энергетика периодической трапецеидальной с/а/с/а структуры
1.7. Выводы
лава 3. ВКЛАД ОБРАТИМЫХ СМЕЩЕНИЙ 90° СТЕНОК В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И
ЪЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТКЛИКИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ
..1. Введение
1.2. Вклад колебаний 90° границ в пьезоэлектрический отклик эпитаксиального слоя

!.3. Мягкие моды коллективных колебаний 90° доменных стенок и их вклад
в диэлектрические константы эпитаксиальной сегнетоэлектрической пленки
S.4. Выводы
лава 4. ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ НА СТАТИКУ И ДИНАМИКУ
>0° ДОМЕННЫХ КОНФИГУРАЦИЙ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ТОНКИХ ПЛЕНКАХ
kl. Введение
1.2. Одиночные 90° домены в тетрагональных пленках
4.2.1. Модели dale и а!с!а структур с доменными стенками конечной ширины
4.2.2. Энергия и равновесный размер внедренного домена
4.2.3. Диаграмма устойчивости dale и а!da структур с заданной шириной 90° границ
L3. Ламинарная 90° доменная структура со стенками конечной ширины
4.3.1. Модель периодической доменной конфигурации в ромбической пленке
4.3.2. Статика периодической структуры с 90° границами одинаковой ширины
4.3.3. Доменный вклад в отклики сегнетоэлектрической пленки: влияние ширины стенок
4.3.4. Равновесная ширина 90° доменных границ в эпитаксиальных тонких пленках
-.4. Выводы
лава 5. УПРУГОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СЕГНЕТОЭЛАСТИЧЕСКИХ РМЕННЫХ ГРАНИЦ С ДИСЛОКАЦИЯМИ НЕСООТВЕТСТВИЯ
.1. Введение
.2. Расчет энергии упругого взаимодействия 90° стенок с дислокациями
.3. Доменная с!а стенка в поле одиночной дислокации несоответствия
.4. Взаимодействие 90° границы с периодическим рядом краевых дислокаций
.5. Статика и динамика одиночного домена в поле дислокаций несоответствия
5.5.1. Влияние дислокаций на равновесный размер 90° домена в эпитаксиальной пленке
5.5.2. Движение границ 90° домена через дислокационные энергетические барьеры
.6. Выводы
АКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
МТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время сравнительно молодая наука о сегнетоэлектричестве переживает подлинный ренессанс. Возврат интереса к проблемам сегнетоэлектрической активности кристаллов связан прежде всего с тем, что за последние десять лет прикладная наука сделала качественный скачок в области создания оксидных тонких пленок и их интегрирования в хорошо развитую микроэлектронную промышленность. В конце 80-х - начале 90-х годов были выращены тонкие монокристаллические пленки различных кристаллов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Потребность в получении таких пленок возникла ввиду необходимости включить сегнетоэлектрики в микроэлектронные устройства, изготовленные на основе полупроводниковой техники.
Обычно сегнетоэлектрические и сегнетоэластические кристаллы разбиты на домены -области, в которых все элементарные ячейки имеют одинаковый дипольный момент и (или) спонтанную деформацию. Доменные стенки, представляющие собой границы между доменами, могут характеризоваться различной пространственной геометрией и обладать особыми физико-химическими свойствами. Важно, что доменная структура образца и движение стенок под действием внешних полей оказывают существенное, а часто и определяющее влияние практически на все статические и динамические свойства сегнетоэлектрика, такие как диэлектрическая проницаемость, пьезоэлектрический отклик, форма петель поляризационного гистерезиса, сегнетоэлектрическая усталость и многие другие.
Большие успехи достигнуты в последние годы в области изготовления эпитаксиальных пленок, для которых характерна жесткая взаимосвязь кристаллографической ориентации пленки и подложки. Механическое взаимодействие между монокристаллическими пленкой и подложкой, обусловленное несоответствием их параметров решетки, приводит к появлению внутренних напряжений в эпитаксиальной системе. Одним из возможных механизмов релаксации этих напряжений и, следовательно, уменьшения запасенной упругой энергии служит полидоменизация двойникового типа, которая происходит при переходе пленки из

сверхрешеток). Были также получены экспериментальные данные о сильной зависимости объемных долей сна доменов в пленке от ее толщины и температуры [] 63,167].
Де Вирман и другие показали [165], что тип и размеры 90° доменов в эпитаксиальных тонких пленках РЬТЮз существенно зависят от несоответствия параметров решетки пленки и подложки. Экспериментально изучив пленки РЬТЮз, выращенные PLD-методом на различных кубических подложках, они установили следующее: 1) при совпадении параметра решетки ао свободной пленки с параметром b подложки в пленке наблюдалось монодоменное с состояние в согласии с результатами [163,167]; 2) когда параметр а (а с) тетрагональной решетки РЬТЮз больше параметра b подложки, было обнаружено большое количество дислокаций несоответствия (misfit dislocations) на границе раздела, а в сегнетофазе пленки присутствовали в основном а домены; 3) в случае а<Ь возникала сложная полидоменная структура, состоящая из отдельных областей, в каждой из которых 90° стенки выстраивались вдоль одного направления. Эти результаты указывают на то, что существуют два важнейших механизма релаксации внутренних напряжений, обусловленных решеточным несоответствием между пленкой и подложкой, а именно: 1)образование дислокаций несоответствия на границе раздела и 2) 90° полидоменизация эпитаксиального слоя в сегнетофазе.
Экспериментальные исследования Фостера с коллегами [172] также выявили значительное влияние подложки на доменную структуру эпитаксиальных слоев титаната свинца. В дополнение к результатам [167] они обнаружили распределение da стенок по четырем различным направлениям в эпитаксиальных системах PbTiCh//(001)-MgC) и РЬТЮз//(001)-ЬаАЮз. Оказалось, что для пленок РЬТЮз на MgO и ЬаАЮз критическая толщина пленки для формирования clalda структур не превышает 10 нм и не фиксируется рентгеновскими методами. В то же время для эпитаксиальной системы РЬТЮз//(001)-8гТЮз при толщине пленки Я меньше критического значения Я*« 150нлг наблюдается монодоменное с состояние эпитаксиального слоя, а при Н>Н* - регулярные clalda конфигурации.