
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРО- И НАНОДОМЕННЫХ СТРУКТУР В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ МЕТОДАМИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Работа №	101357
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	24
Год сдачи	2012
Стоимость	250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	130

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЛИТЕРАТУРА

Введение

Актуальность темы.
Исследование кинетики 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 за счет образования и роста доменов в поле, может быть рассмотрен как аналог фазового превращения при фазовом переходе первого рода.
Использование методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) позволяет визуализировать статические доменные структуры с нанометровым разрешением, что открывает новые возможности в исследовании фазовых превращений. Высокое пространственное разрешение позволяет детально исследовать роль нанометровых доменов на разных стадиях переключения поляризации, начиная от образования наноразмерных зародышей и заканчивая формированием остаточных нанодоменов при слиянии доменов.
В последние годы сильно возрос интерес к практическому применению сегнетоэлектрических монокристаллов с нанодоменной структурой. Наиболее перспективным является создание устройств хранения информации сверхвысокой плотности на основе сегнетоэлектрической доменной структуры. Продемонстрирована возможность записи информации с плотностью до 1 Тбит/см2 [1]. Успешно развивается доменная инженерия, которая занимается разработкой методов создания стабильных регулярных доменных структур для улучшения характеристик важных для практического применения. Одной из наиболее актуальных задач доменной инженерии является создание фотонных нелинейно-оптических кристаллов. Наиболее популярным методом доменной инженерии является приложение пространственно неоднородного электрического поля, позволяющее создавать периодические структуры с микронными периодами. Вместе с тем для некоторых приложений требуются фотонные кристаллы с субмикронными периодами.
СЗМ, на сегодняшний день, представляется наиболее перспективным методом создания субмикронных структур. Показано, что приложение импульсов напряжения к наноразмерному электроду (проводящему зонду СЗМ), позволяет создавать домены с размерами менее 50 нм [1]. Однако недостаточно исследовано как влияние внешних условий на формирование и рост доменов, так и процессы взаимодействия между изолированными доменами.
Кроме того, чрезвычайно важным с фундаментальной и прикладной точек зрения является исследование кинетики формирования микро - и нанодоменных при переключении поляризации в однородном поле. Широкий спектр режимов СЗМ предоставляют уникальную возможность проведения локальных исследований процессов переключения поляризации, результаты которых могут быть использованы для оптимизации классических методов доменной инженерии.
Целью работы являлось экспериментальное исследование и теоретическое описание процессов формирования микро - и нанодоменных структур при переключении поляризации электрическим полем, созданным проводящим зондом СЗМ.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. Разработать методики подбора оптимальных измерительных параметров для исследования доменных структур в режиме силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика и измерения локальных петель гистерезиса.
2. Исследовать влияние проводящего адсорбционного слоя на локальное переключение поляризации полем, создаваемым зондом СЗМ в ниобате лития.
3. Изучить особенности локального переключения поляризации вблизи плоской 180о доменной стенки в ниобате лития.
4. Исследовать эффекты взаимодействия между изолированными доменами в ниобате лития.
5. Изучить кинетику формирования и роста микро - и нанодоменных структур в ре- лаксорном сегнетоэлектрике ниобате бария стронция.
Объекты исследования.
В качестве объекта исследования в работе были выбраны монокристаллы одноосных сегнетоэлектриков ниобата лития 1зЫЬО3 (ЬИ), танталата лития Ь1ТаО3 (ЬТ) и ниобата бария стронция ЗгхВа1-хЫЬ2О6 (ЗВИ), как модельных сегнетоэлектриков, обладающих сравнительно простой доменной структурой. Монокристаллы семейства ЬИ и ЬТ в настоящее время находят широкое применение при создании устройств нелинейной оптики, в том числе с использованием доменной инженерии. В работе исследовались: ЬИ конгруэнтного состава (СЬИ) и легированный магнием (МдО:ЬИ), ЬТ стехиометрического состава (ЗЬТ) и ЗВИ легированный церием. Основной методикой исследования и модификации доменных структур являлась СЗМ, что позволило провести исследования и модификацию доменной структуры с нано-метровым разрешением. Сочетание важных и перспективных для применений мате-риалов, а также современной методики исследования доменных структур обусловливает актуальность проводимых исследований.
Научная новизнаработы заключается в комплексном исследовании процесса формирования микро - и нанодоменных структур в результате переключения поляризации при помощи электрического поля, создаваемого зондом СЗМ.
• Впервые показано, что наклон локальной петли гистерезиса зависит от точки фокусировки лазера на поверхности кантилевера.
• Объяснен рост доменов с размерами, существенно превышающими радиус закругления зонда СЗМ, при локальном переключении поляризации.
• Обнаружено существенное влияние проводимости адсорбционного слоя на процесс переключения поляризации.
• Обнаружено и объяснено образование треугольных выступов и рост цепей нано-доменов при локальном переключении поляризации вблизи плоской доменной стенки.
• Обнаружено взаимодействие между изолированными доменами при расстояниях между доменами менее толщины диэлектрического зазора
• Выявлен рост нанодоменных структур при переключении поляризации в однородном электрическом поле в релаксорном сегнетоэлектрике ниобате бария стронция.
Практическая значимость
Полученные результаты создают фундаментальные основы для использования СЗМ в доменной инженерии для создания 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. Также полученные фундаментальные результаты, которые могут быть использованы для оптимизации методов создания периодических доменных структур в доменной инженерии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного и надежного аттестованного оборудования, надежной статистикой проведенных экспериментов, применением современных и независимых методов обработки данных, согласием с экспериментальными результатами других авторов и не-противоречивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается обоснованностью принятых допущений, согласованностью с экспериментальными данными и другими результатами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Механизм роста доменов при локальном переключении поляризации под действием поля, создаваемого зондом СЗМ в присутствии проводящего адсорбционного слоя.
2. Выявленные типы изменений плоской 180о доменной стенки при локальном переключении вблизи стенки.
3. Механизм формирования треугольных выступов и цепей нанодоменов вдоль траектории движения заземленного СЗМ зонда после локального переключения поляризации.
4. Механизм взаимодействия между изолированными доменами в процессе локального переключения поляризации при расстояниях между доменами менее толщины диэлектрического зазора.
5. Механизмы формирования микро - и нанодоменных структур при переключении поляризации в монокристаллах ниобата бария стронция в однородном электрическом поле.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на 25 российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе на 1st, 2nd, 3rd In-ternational Symposiums “Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics” (15-19.11.2005, 22-27.08.2007, 13-18.09.2009, Екатеринбург), 9th, 10th International Symposiums on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (26-30.06.2006, Dresden, Germany; 20-24.09.2010, Prague, Czech Republic), 5th, 6th International Semi-nars on Ferroelastic Physics (10-13.09.2006, 22-25.09.2009, Воронеж), 11th, 12th Europe-an Meetings on Ferroelectricity (3-7.09.2007, Bled, Slovenia; 26.06-2.07.2011 Bordeaux, France), 9, 10th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposiums on Ferroelectricity (15-19.06.2008, Vilnius, Lithuania; 20-24.06.2010, Yokohama, Japan), 6ой Всероссийской школе- конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (14-20.10.2007, Воронеж), 18ой и 19ой Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков (12¬14.06.2008, Санкт-Петербург; 20-23.06.2011, Москва), 13ом Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (16-20.03.2009 Нижний Новгород), 12th In-ternational Meeting on Ferroelectricity (23-27.08.2009 Xi'an, China), XXIII российской конференции по электронной микроскопии (31.05-04.06.2010, Черноголовка), 19th International Symposium on the Applications of Ferroelectrics and the 10th European Con-ference on the Applications of Polar Dielectrics (9-12.08.2010, Edinburgh, UK), Между-народных форумах по нанотехнологиям «Rusnanotech-2009» и -2010 (6-8.10.2009, 1-3.11.2010, Москва), 3ей Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноинженерия» (13-15.10.2010 Калуга-Москва), 3ей Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (26-29.10.2010, Нижний Новгород), 2ой Уральской школе молодых ученых «Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия» (19-22.04.2011),20th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics and the International Symposium on PFM& Nanoscale Phenomena in Polar Materials (24-27.07.2011 Vancouver, Canada), Symposium Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy (12-16.09.2011, Зеленоград).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 48 печатных работах, из них 7 статей в российских и зарубежных реферируемых печатных изданиях и 41 тезис Всероссийских и международных конференций. Диссертационная работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке грантов РФФИ (гр. 10-02-96042-р-урал-а, гр. 10-02-00627-а), Федерального Агентства по образованию, ФЦП «Научные и научно -педагогические кадры инновационной России 2009-2013» (гос. контракты П870, П2127), Федерального Агентства по науке и ин-новациям (гос. контракты №. 02.740.110171, 02.552.11.7069), а также стипендии Правительства РФ (2011/12 уч. гг.).
Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром. Исследования в ниобата бария стронция проводились совместно с В.А. Шиховой, в ниобате лития после лазерного облучения - с Е.А. Мингалиевым. Образцы ниобата лития, модифицированные ионами аргона, исследовались вместе с Д.О. Аликиным. Изучение объемных доменных структур с помощью сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния проводилось вместе с П.С. Зеленовским и М.С. Небогатиковым. Компьютерное моделирование кинетики доменов проводилось совместно с А.И. Лобовым Соавтор публикации Л.И. Ивлева (Институт общей физики РАН, Москва), предоставила образцы ниобата бария стронция. Часть исследований была проведена автором в центре « Nanophase Material Science» (Oak Ridge, США) при участии С.В. Калинина.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 146 страниц, включая 70 рисунков, 2 таблицы, список условных обозначений и библиографию из 119 наименований.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В результате проведенных систематических исследований микро - и нанодоменных структур в одноосных сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития, танталата лития и ниобата бария стронция методами сканирующей зондовой микроскопии могут быть сделаны следующие основные выводы.
1. Разработаны оригинальные методики оптимизации измерительных параметров при визуализации доменных структур с помощью силовой микроскопии пьезо-электрического отклика и при измерении локальных петель гистерезиса.
2. На примере ниобата лития и танталата лития впервые экспериментально показано, что рост доменов при локальном переключении поляризации с помощью про-водящего зонда сканирующего зондового микроскопа обусловлен наличием ад-сорбционного слоя с низкой проводимостью. Экспериментальные результаты объяснены в рамках оригинальной предложенной модели «ограниченного током роста доменов».
3. Впервые на примере ниобата лития изучена кинетика доменной структуры при локальном переключении поляризации вблизи плоской доменной стенки. Выявленные особенности: сдвиг доменной стенки, образование треугольного выступа и рост нанодоменной цепи, при локальном переключении поляризации биполярными треугольными импульсами отнесены за счет неполного экранирования де-поляризующих полей. Результаты объяснены с учетом эффекта коррелированного зародышеобразования вблизи переключенного домена, наличия шлейфа остаточных деполяризующих полей за движущейся доменной стенкой и локального внешнего экранирования при сканировании заземленным зондом. Использованы результаты проведенных расчетов распределения остаточных деполяризующих полей в одноосном монокристалле с диэлектрическим поверхностным слоем вблизи изолированных доменов различной формы и размеров.
4. Экспериментально изученный эффект взаимодействия растущих изолированных доменов при локальном переключении поляризации в ниобате лития отнесен за счет изменения переключающего поля вблизи доменной стенки на расстоянии, определяемом толщиной диэлектрического зазора, при неполном экранировании деполяризующего поля.
5. Впервые обнаружено формирование нанодоменных структур при переключении поляризации в однородном поле в монокристалле одноосного релаксорного се-гнетоэлектрика ниобата бария стронция. Выявлены механизмы формирования нанодоменов: (а) дискретное переключение вблизи доменной стенки, (б) само-произвольное обратное переключение поляризации внутри доменов, (в) образование остаточных нанодоменов при слиянии микродоменов. Продемонстрировано, что основные закономерности формирования и роста микро - и нанодоменных структур в ниобате бария стронция и ниобате лития качественно подобны.

Литература

1. Cho Y. et al. Tbit/inch2 ferroelectric data storage based on scanning nonlinear dielec-tric microscopy // Applied Physics Letters. 2002. Vol. 81, № 23. P. 4401.
2. Шур В.Я. Доменная структура одноосных сегнетоэлектриков: Дис. докт. физ. - мат. наук. Свердловск, 1990. 335 с.
3. Schmelzer J. Nucleation theory and applications // Nucleation Theory and Applica-tions. WILEY-VCH / ed. Schmelzer J. Weinheim, 2005. P. 178-214.
4. Soergel E. Piezoresponse force microscopy (PFM) // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. Vol. 44, № 46. P. 464003.
5. Kalinin S.V. et al. Local polarization dynamics in ferroelectric materials // Reports on Progress in Physics. 2010. Vol. 73, № 5. P. 056502.
6. Fujimoto K., Cho Y. High-speed switching of nanoscale ferroelectric domains in congruent single-crystal LiTaO3// Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83, № 25. P. 5265.
7. Jesse S. et al. Resolution theory, and static and frequency-dependent cross-talk in pi-ezoresponse force microscopy. // Nanotechnology. 2010. Vol. 21, № 40. P. 405703.
8. Jungk T., Hoffmann A., Soergel E. Quantitative analysis of ferroelectric domain im-aging with piezoresponse force microscopy // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 89, № 16. P. 163507.
9. Jesse S., Baddorf A.P., Kalinin S.V. Switching spectroscopy piezoresponse force microscopy of ferroelectric materials // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88, № 6. P. 062908.
10. Зеленовский П.С. и др. Визуализация нанодоменов в монокристаллах ниобата лития методом сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбина-ционного рассеяния // ФТТ. 2011. Т. 53, № 1. сс. 13-16.
11. Paruch P., Tybell T., Triscone J.-M. Nanoscale control of ferroelectric polarization and domain size in epitaxial Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 thin films // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, № 4. P. 530.
12. Morozovska A. et al. Local polarization switching in the presence of surface-charged defects: Microscopic mechanisms and piezoresponse force spectroscopy observa¬tions // Physical Review B. 2008. Vol. 78, № 5. P. 1-17.
13. Rodriguez B.J. et al. Domain growth kinetics in lithium niobate single crystals stud¬ied by piezoresponse force microscopy // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86, № 1. P. 012906.
14. Shur V.Y. Kinetics of ferroelectric domains: Application of general approach to LiNbO3 and LiTaO3// Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41, № 1. P. 199-210.
15. Shur V.Y. et al. Recent achievements in domain engineering in lithium niobate and lithium tantalate // Ferroelectrics. 2001. Vol. 257, № 1. P. 191-202.
16. Shur V.Y., Rumyantsev E.L. Kinetics of ferroelectric domain structure during switching: Theory and experiment // Ferroelectrics. 1994. Vol. 151. P. 171-180.
17. Shur V.Y. et al. Micro- and nanoscale domain engineering in lithium niobate and lithium tantalate // SPIE Proceedings. 2000. Vol. 3992. P. 143-154.
18. Hayashi M. Kinetics of Domain Wall Motion in Ferroelectric Switching. I. General Formulation // Journal of the Physical Society of Japan. 1972. Vol. 33, № 3. P. 616-628.
19. Miller R., Weinreich G. Mechanism for the Sidewise Motion of 180° Domain Walls in Barium Titanate // Physical Review. 1960. Vol. 117, № 6. P. 1460-1466.
20. Batchko R.G. et al. Backswitch poling in lithium niobate for high-fidelity domain patterning and efficient blue light generation // Applied Physics Letters. 1999. Vol. 75, № 12. P. 1673-1675.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:
1. E.I. Shishkin, A.V. Ievlev, E.V. Nikolaeva, M.S. Nebogatikov, and V.Ya. Shur, Local Study of polarization reversal kinetics in ferroelectric crystals using scanning probe microscopy. // Ferroelectrics - 2008 - V. 374 - pp. 170-176.
2. A.V. Ievlev, E.V. Nikolaeva, E.I. Shishkin, and V.Ya. Shur, Shape of local hysteresis loops measured bym of piezoresponse force microscopy. // Ferroelectrics - 2010 - V .398 - pp. 26-33.
3. D.O. Alikin, E.I. Shishkin, E.V. Nikolaeva, V.Ya. Shur, M.F. Sarmanova, A.V. Ievlev, M.S. Nebogatikov, and N.V. Gavrilov, Formation of self-assembled domain structures in lithium niobate modified by Ar ions implantation. // Ferroelectrics - 2010 - V. 399 - pp. 35-42.
4. V.Ya. Shur, D.K. Kuznetsov, E.A. Mingaliev, E.M. Yakunina, A.I. Lobov, and A.V. Ievlev, In situ investigation of formation of self-assembled nanodomain structure in lithium nNiobate after pulse laser irradiation. // Appl. Phys. Lett. - 2011 - V. 99 - No. 8 - pp. 082901-1-3.
5. V.Ya. Shur, M.S. Nebogatikov, D.O. Alikin, P.S. Zelenovskiy, M.F. Sarmanova, A.V. Ievlev, E.A. Mingaliev, D.K. Kuznetsov, Investigation of the nanodomain structure formation by piezoelectric force microscopy and raman confocal microscopy in LiNbO3 and LiTaO3 crystals. // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 110 - No. 5 - pp. 052013-1¬6.
6. V.Ya. Shur, A.V. Ievlev, E.V. Nikolaeva, E.I. Shishkin, and M.M. Neradovskiy, Influ-ence of adsorbed surface layer on domain growth in the field produced by conductive tip of scanning probe microscope in lithium niobate. // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 110 - No. 5 - pp. 052017-1-5.s
7. В.Я. Шур, В.А. Шихова, Д.В. Пелегов, А.В. Иевлев, Л.И. Ивлева, Формирование ансамблей нанодоменов при переключении поляризации в монокристаллах Sr0.61Ba0.39Nb2O6:Ce. // ФТТ - 2011 - т. 53 - № 11 - с. 2195-2199.