ФОРМИРОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ МИКРО- И НАНОДОМЕННЫХ СТЕНОК В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
|
1.1 Кинетика доменной структуры в сегнетоэлектриках
в сильнонеравновесных условиях 9
1.1.1 Эволюция доменной структуры в электрическом поле 9
1.1.2 Роль процессов экранирования деполяризующего поля 11
1.1.3 Формирование заряженных доменных стенок 15
1.2 Ниобат лития 17
1.2.1 Основные физические свойства 17
1.2.2 Рост и форма доменов 18
1.3 Взаимодействие ускоренных ионов с сегнетоэлектрическими монокристаллами 20
1.3.1 Основные физические процессы, возникающие при взаимодействии
ускоренных ионов с твёрдым телом 20
1.3.2 Влияние низкоэнергетичного облучения ионами на свойства
сегнетоэлектрических монокристаллов 24
1.4 Восстановительный отжиг сегнетоэлектрических кристаллов 26
1.4.1 Влияние восстановительного отжига на состав и структуру ЕН 26
1.4.2 Влияние восстановительного отжига на проводящие и оптические
свойства ЕН 27
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 29
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 30
2.1 Исследованные материалы 30
2.2 Методы воздействия 30
2.2.1 Ионно-плазменное облучение 30
2.2.2 Восстановительный отжиг 31
2.3 Экспериментальные методы исследования 31
2.3.1 Измерение распределения электрического поля в объёме кристалла 31
2.3.2 Измерение поверхностной проводимости и её зависимости от глубины
кристалла 32
2.3.3 Измерение оптических спектров модифицированных кристаллов 32
2.3.4 Переключение поляризации с регистрацией изображений доменной
структуры и токов переключения 33
2.3.5 Измерение и анализ тока переключения 35
2.4 Визуализация статической доменной структуры 39
2.4.1 Селективное химическое травление 39
2.4.2 Оптическая микроскопия 40
2.4.3 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика 41
2.4.4 Конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния 43
2.5 Этапы проведения исследований 45
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 46
3.1 Оптическое поглощение 46
3.2 Поверхностная и объёмная проводимость 46
3.3 Распределение прикладываемого электрического поля в объёме кристаллов 48
3.4 Доменная структура в ЕХ с модифицированной проводимостью 48
3.5 Модель переключения поляризации в ЕХ с модифицированной проводимостью 56
3.6 Анализ токов переключения поляризации 1гг-МдО:ЕХ 59
ВЫВОДЫ 62
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ 63
БЛАГОДАРНОСТИ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 67
в сильнонеравновесных условиях 9
1.1.1 Эволюция доменной структуры в электрическом поле 9
1.1.2 Роль процессов экранирования деполяризующего поля 11
1.1.3 Формирование заряженных доменных стенок 15
1.2 Ниобат лития 17
1.2.1 Основные физические свойства 17
1.2.2 Рост и форма доменов 18
1.3 Взаимодействие ускоренных ионов с сегнетоэлектрическими монокристаллами 20
1.3.1 Основные физические процессы, возникающие при взаимодействии
ускоренных ионов с твёрдым телом 20
1.3.2 Влияние низкоэнергетичного облучения ионами на свойства
сегнетоэлектрических монокристаллов 24
1.4 Восстановительный отжиг сегнетоэлектрических кристаллов 26
1.4.1 Влияние восстановительного отжига на состав и структуру ЕН 26
1.4.2 Влияние восстановительного отжига на проводящие и оптические
свойства ЕН 27
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 29
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 30
2.1 Исследованные материалы 30
2.2 Методы воздействия 30
2.2.1 Ионно-плазменное облучение 30
2.2.2 Восстановительный отжиг 31
2.3 Экспериментальные методы исследования 31
2.3.1 Измерение распределения электрического поля в объёме кристалла 31
2.3.2 Измерение поверхностной проводимости и её зависимости от глубины
кристалла 32
2.3.3 Измерение оптических спектров модифицированных кристаллов 32
2.3.4 Переключение поляризации с регистрацией изображений доменной
структуры и токов переключения 33
2.3.5 Измерение и анализ тока переключения 35
2.4 Визуализация статической доменной структуры 39
2.4.1 Селективное химическое травление 39
2.4.2 Оптическая микроскопия 40
2.4.3 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика 41
2.4.4 Конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния 43
2.5 Этапы проведения исследований 45
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 46
3.1 Оптическое поглощение 46
3.2 Поверхностная и объёмная проводимость 46
3.3 Распределение прикладываемого электрического поля в объёме кристаллов 48
3.4 Доменная структура в ЕХ с модифицированной проводимостью 48
3.5 Модель переключения поляризации в ЕХ с модифицированной проводимостью 56
3.6 Анализ токов переключения поляризации 1гг-МдО:ЕХ 59
ВЫВОДЫ 62
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ 63
БЛАГОДАРНОСТИ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 67
РЕФЕРАТ
Целью работы являлось экспериментальное исследование формирования микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития с неоднородно модифицированной проводимостью.
Ниобат лития является классическим материалом интегральной оптики за счёт больших значений его электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов. Модификация проводимости в исследованных сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава и легированного 5% Мд осуществлялась воздействием низкоэнергетичного ионно-плазменного облучения и восстановительного отжига.
Известно, что такая обработка приводит к резкому увеличению проводимости кристаллов за счёт аут-диффузии кислорода с поверхности. Создание слоёв с измененной проводимостью приводит к неоднородному распределению электрического поля в объёме сегнетоэлектрических кристаллов, что позволяет создавать внутриобъёмные заряженные доменные структуры при переключении поляризации. Методы создания заряженных доменных структур используются для создания элементов интегральных оптических устройств: волноводных структур, оптических модуляторов и резонаторов.
Основные выводы работы:
1) Показано, что ионно-плазменное облучение и восстановительный отжиг кристаллов приводят к неоднородному изменению поглощения и увеличению проводимости, что может быть отнесено за счёт аут-диффузии кислорода и сегрегации лития в поверхностном слое.
2) Экспериментально выявлена корреляция между пространственным распределением проводимости и электрического поля в объёме модифицированных кристаллов.
3) Установлено, что неоднородное распределение электрического поля в объёме модифицированных кристаллов приводит к значительному понижению порогового поля переключения поляризации, за счёт уменьшения толщины переключаемого слоя.
4) Впервые обнаружен и изучен эффект формирования и роста несквозных доменов с заряженными доменными стенками.
5) Анализ тока переключения модифицированной формулой Колмогорова-Аврами позволил определить подвижность доменной стенки и пороговое поле начала переключения.
Полученные результаты решают сразу несколько практических задач. Во-первых, модификация объёмной проводимости в кристалле посредством низкоэнергетичного ионно-плазменного облучения и восстановительного отжига позволяет существенно понизить 2
пороговые поля переключения поляризации, что значительно упрощает создание регулярных доменных структур в данном материале. Во-вторых, локальное изменение объёмной проводимости даёт возможность формировать квазирегулярные доменные структуры субмикронных периодов, что создаёт фундаментальные основы для развития новых методов доменной инженерии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного аттестованного оборудования, статистикой проведенных экспериментов, применением независимых методов обработки данных, согласием с экспериментальными результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается обоснованностью принятых допущений, согласованностью с экспериментальными данными и другими результатами.
Место выполнения работы. Работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.
Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научными руководителями: профессором В.Я. Шуром и Д.О. Аликиным.
Основные результаты исследований опубликованы в 2 статьях и 23 тезисах; лично представлены автором на 3 российских и 2 международных конференциях.
Список ключевых публикаций по теме работы:
Pryakhina V.I., Alikin D.O., Shur V.Ya., Negashev S.A. Polarization reversal in MgO:LiNbO3 single crystals modified by plasma-source ion irradiation // Ferroelectrics. - 2012. - V. 439. - P . 20-32.
Alikin D.O., Shur V.Ya., Pryakhina V.I., Gavrilov N.V., Carrascosa M., Olivares J. The domain kinetics in congruent lithium niobate modified by low and high energy ion irradiation // Ferroelectrics. - 2012. - V. 441. - P. 17-24.
Готовится к публикации: Shur V.Ya., Alikin D.O., Pryakhina V.I., Palitsin I.S., Lobov A.I., Besedina N.A., Negashev S.A. Formation of the charged domain walls during polarization reversal in lithium niobate with inhomogeneous conductivity modification // Appl.Phys.Lett. - 2014.
Интерес к созданию заряженных доменных стенок (ЗДС) в сегнетоэлектриках вызван возможностью улучшения пьезоэлектрических свойств монокристаллов за счёт локализации ЗДС в объёме [1], развитию оксидной электроники и созданием сегнетоэлектрической памяти с высокой плотностью записи [2]. Создание стабильных ЗДС с заданными параметрами, контролируемой геометрией и воспроизводимыми свойствами может быть рассмотрено как новый этап в развитии доменной инженерии. ЗДС активно изучаются как в тонких пленках сегнетоэлектриков и мультиферроиков, так и в объёмных кристаллах BaTiO3 и LiNbO3 (LN) [1, 2].
Необходимо отметить, что кристаллы LN широко исследуются в виду их нелинейно-оптических, электрооптических и пьезоэлектрических свойств и высокой стабильности получаемых доменных структур. Благодаря этому LN является предпочтительным материалом для микро- и нанодоменной инженерии. Отклонение состава от стехиометрии и легирование позволяют существенно увеличить порог оптического повреждения кристаллов.
В данной работе исследуется один из возможных способов создания ЗДС - это переключение поляризации в объёме кристаллов с пространственно неоднородным распределением электрического поля. Пространственно неоднородное электрическое поле было реализовано неоднородной модификацией объёмной проводимости высокотемпературным восстановительным отжигом и ионно-плазменным облучением низкоэнергетичными ионами с высокой плотностью потока. Такая обработка кристаллов приводит к аут-диффузии кислорода с поверхности с конечной скоростью распространения внутри кристалла, в результате чего возникает поляронная проводимость по кислородным вакансиям, неоднородная по глубине [3]. Свойства модифицированных поверхностных слоёв существенно зависят от параметров воздействия: типа ионов, энергии, дозы и потока облучения, температуры и продолжительности отжига. В модифицированных кристаллах исследованы: оптическое поглощение, поверхностная и объёмная проводимость,
распределение электрического поля, кинетика и статика доменной структуры. Предложена модель переключения поляризации в кристаллах с модифицированной проводимостью.
Целью работы являлось экспериментальное исследование формирования микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития с неоднородно модифицированной проводимостью.
Ниобат лития является классическим материалом интегральной оптики за счёт больших значений его электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов. Модификация проводимости в исследованных сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава и легированного 5% Мд осуществлялась воздействием низкоэнергетичного ионно-плазменного облучения и восстановительного отжига.
Известно, что такая обработка приводит к резкому увеличению проводимости кристаллов за счёт аут-диффузии кислорода с поверхности. Создание слоёв с измененной проводимостью приводит к неоднородному распределению электрического поля в объёме сегнетоэлектрических кристаллов, что позволяет создавать внутриобъёмные заряженные доменные структуры при переключении поляризации. Методы создания заряженных доменных структур используются для создания элементов интегральных оптических устройств: волноводных структур, оптических модуляторов и резонаторов.
Основные выводы работы:
1) Показано, что ионно-плазменное облучение и восстановительный отжиг кристаллов приводят к неоднородному изменению поглощения и увеличению проводимости, что может быть отнесено за счёт аут-диффузии кислорода и сегрегации лития в поверхностном слое.
2) Экспериментально выявлена корреляция между пространственным распределением проводимости и электрического поля в объёме модифицированных кристаллов.
3) Установлено, что неоднородное распределение электрического поля в объёме модифицированных кристаллов приводит к значительному понижению порогового поля переключения поляризации, за счёт уменьшения толщины переключаемого слоя.
4) Впервые обнаружен и изучен эффект формирования и роста несквозных доменов с заряженными доменными стенками.
5) Анализ тока переключения модифицированной формулой Колмогорова-Аврами позволил определить подвижность доменной стенки и пороговое поле начала переключения.
Полученные результаты решают сразу несколько практических задач. Во-первых, модификация объёмной проводимости в кристалле посредством низкоэнергетичного ионно-плазменного облучения и восстановительного отжига позволяет существенно понизить 2
пороговые поля переключения поляризации, что значительно упрощает создание регулярных доменных структур в данном материале. Во-вторых, локальное изменение объёмной проводимости даёт возможность формировать квазирегулярные доменные структуры субмикронных периодов, что создаёт фундаментальные основы для развития новых методов доменной инженерии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного аттестованного оборудования, статистикой проведенных экспериментов, применением независимых методов обработки данных, согласием с экспериментальными результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается обоснованностью принятых допущений, согласованностью с экспериментальными данными и другими результатами.
Место выполнения работы. Работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.
Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научными руководителями: профессором В.Я. Шуром и Д.О. Аликиным.
Основные результаты исследований опубликованы в 2 статьях и 23 тезисах; лично представлены автором на 3 российских и 2 международных конференциях.
Список ключевых публикаций по теме работы:
Pryakhina V.I., Alikin D.O., Shur V.Ya., Negashev S.A. Polarization reversal in MgO:LiNbO3 single crystals modified by plasma-source ion irradiation // Ferroelectrics. - 2012. - V. 439. - P . 20-32.
Alikin D.O., Shur V.Ya., Pryakhina V.I., Gavrilov N.V., Carrascosa M., Olivares J. The domain kinetics in congruent lithium niobate modified by low and high energy ion irradiation // Ferroelectrics. - 2012. - V. 441. - P. 17-24.
Готовится к публикации: Shur V.Ya., Alikin D.O., Pryakhina V.I., Palitsin I.S., Lobov A.I., Besedina N.A., Negashev S.A. Formation of the charged domain walls during polarization reversal in lithium niobate with inhomogeneous conductivity modification // Appl.Phys.Lett. - 2014.
Интерес к созданию заряженных доменных стенок (ЗДС) в сегнетоэлектриках вызван возможностью улучшения пьезоэлектрических свойств монокристаллов за счёт локализации ЗДС в объёме [1], развитию оксидной электроники и созданием сегнетоэлектрической памяти с высокой плотностью записи [2]. Создание стабильных ЗДС с заданными параметрами, контролируемой геометрией и воспроизводимыми свойствами может быть рассмотрено как новый этап в развитии доменной инженерии. ЗДС активно изучаются как в тонких пленках сегнетоэлектриков и мультиферроиков, так и в объёмных кристаллах BaTiO3 и LiNbO3 (LN) [1, 2].
Необходимо отметить, что кристаллы LN широко исследуются в виду их нелинейно-оптических, электрооптических и пьезоэлектрических свойств и высокой стабильности получаемых доменных структур. Благодаря этому LN является предпочтительным материалом для микро- и нанодоменной инженерии. Отклонение состава от стехиометрии и легирование позволяют существенно увеличить порог оптического повреждения кристаллов.
В данной работе исследуется один из возможных способов создания ЗДС - это переключение поляризации в объёме кристаллов с пространственно неоднородным распределением электрического поля. Пространственно неоднородное электрическое поле было реализовано неоднородной модификацией объёмной проводимости высокотемпературным восстановительным отжигом и ионно-плазменным облучением низкоэнергетичными ионами с высокой плотностью потока. Такая обработка кристаллов приводит к аут-диффузии кислорода с поверхности с конечной скоростью распространения внутри кристалла, в результате чего возникает поляронная проводимость по кислородным вакансиям, неоднородная по глубине [3]. Свойства модифицированных поверхностных слоёв существенно зависят от параметров воздействия: типа ионов, энергии, дозы и потока облучения, температуры и продолжительности отжига. В модифицированных кристаллах исследованы: оптическое поглощение, поверхностная и объёмная проводимость,
распределение электрического поля, кинетика и статика доменной структуры. Предложена модель переключения поляризации в кристаллах с модифицированной проводимостью.
Систематические исследования свойств монокристаллов ниобата лития, подвергнутых воздействиям низкоэнергетичного ионно-плазменного облучения и восстановительного отжига, и их влияния на формирование доменной структуры позволили сделать следующие выводы:
1) Показано, что ионно-плазменное облучение и восстановительный отжиг кристаллов приводят к неоднородному изменению поглощения и увеличению проводимости, что может быть отнесено за счёт аут-диффузии кислорода и сегрегации лития в поверхностном слое.
2) Экспериментально выявлена корреляция между пространственным распределением проводимости и электрического поля в объёме модифицированных кристаллов.
3) Установлено, что неоднородное распределение электрического поля в объёме модифицированных кристаллов приводит к значительному понижению порогового поля переключения поляризации, за счёт уменьшения толщины переключаемого слоя.
4) Впервые обнаружен и изучен эффект формирования и роста несквозных доменов с заряженными доменными стенками.
5) Анализ тока переключения модифицированной формулой Колмогорова-Аврами позволил определить подвижность доменной стенки и пороговое поле начала переключения.
1) Показано, что ионно-плазменное облучение и восстановительный отжиг кристаллов приводят к неоднородному изменению поглощения и увеличению проводимости, что может быть отнесено за счёт аут-диффузии кислорода и сегрегации лития в поверхностном слое.
2) Экспериментально выявлена корреляция между пространственным распределением проводимости и электрического поля в объёме модифицированных кристаллов.
3) Установлено, что неоднородное распределение электрического поля в объёме модифицированных кристаллов приводит к значительному понижению порогового поля переключения поляризации, за счёт уменьшения толщины переключаемого слоя.
4) Впервые обнаружен и изучен эффект формирования и роста несквозных доменов с заряженными доменными стенками.
5) Анализ тока переключения модифицированной формулой Колмогорова-Аврами позволил определить подвижность доменной стенки и пороговое поле начала переключения.
содержание магистерской диссертации – ФОРМИРОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ МИКРО - И НАНОДОМЕННЫХ СТЕНОК В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
выдержки из магистерской диссертации – ФОРМИРОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ МИКРО - И НАНОДОМЕННЫХ СТЕНОК В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Подобные работы
- ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ, КИНЕТИКА ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ФОРМИРОВАНИЕ ДЕНДРИТНЫХ ДОМЕНОВ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ И ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ
Диссертации (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 4365 р. Год сдачи: 2021