
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ВЛИЯНИЕ ЭКРАНИРОВАНИЯ ДЕПОЛЯРИЗУЮЩИХ ПОЛЕЙ НА КИНЕТИКУ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛОВ СЕМЕЙСТВА НИОБАТА ЛИТИЯ И ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ

Работа №	101408
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	23
Год сдачи	2012
Стоимость	250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	194

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

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

Введение

Актуальность темы.
Переключение поляризации в сегнетоэлектрике под действием внешнего электрического поля, происходящее за счет образования и роста доменов, можно рас-сматривать как аналог фазового перехода первого рода. Поэтому кинетика доменной структуры в процессе переключения поляризации представляет собой фундаментальную проблему физики конденсированного состояния, связанную с исследованием закономерностей кинетики фазовых превращений.
При изменении доменной структуры сегнетоэлектриков принципиальную роль играют процессы внешнего и объемного экранирования деполяризующего поля, создаваемого связанными зарядами. Медленные процессы объемного экранирования приводят к эффектам памяти и в значительной степени определяют кинетику доме-нов. Изучение влияния процессов экранирования деполяризующих полей на эволюцию доменной структуры необходимо для решения важной фундаментальной проблемы физики сегнетоэлектриков - процесса переключения поляризации.
Растущий интерес к доменной структуре сегнетоэлектриков во многом вызван бурным развитием в последние годы новой отрасли науки и технологии - «доменной инженерии». Данная область знаний занимается разработкой и усовершенствованием методов создания в сегнетоэлектрических монокристаллах доменных структур с заданной геометрией для различных применений. Основной задачей доменной инженерии на данный момент является создание стабильных регулярных доменных структур для улучшения нелинейно-оптических, электрооптических и акустических характеристик, в частности для изготовления эффективных преобразователей частоты когерентного излучения. Наиболее широко используемыми материалами для таких применений являются монокристаллы семейства ниобата лития и танталата лития. Периодические доменные структуры создают приложением пространственно неоднородного электрического поля создаваемого системой периодических полосовых электродов, нанесенных на полярную поверхность сегнетоэлектрической пластины. Для оптимального подбора технологических параметров необходимо пони-мание закономерностей кинетики доменной структуры и процессов объемного экранирования, играющих принципиальную роль для стабилизации созданных доменных структур.
Интерес к исследованию особенностей кинетики доменной структуры при циклическом переключении обусловлен созданием элементов энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрических тонких пленок. Широкое применение таких элементов ограничено характерным для сегнетоэлектриков «эффектом усталости» - уменьшением переключаемого заряда при многократном циклическом переключении поляризации. Принято считать, что эффект усталости связан с процессом объемного экранирования.
Таким образом, комплексное исследование процессов объемного экранирования и их влияния на кинетику доменной структуры актуально как для решения фундаментальных проблем физики твердого тела, так и для важных практических применений.
Целью работы является исследование процессов объемного экранирования в монокристаллах семейства ниобата лития (I,¡N603. ЬЫ) и танталата лития (Ь1ТаО3, ЬТ) и их влияния на кинетику доменной структуры в данных материалах.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1) Разработать методы измерения параметров процесса объемного экранирования в монокристаллах семейства ЬЫ и ЬТ.
2) Провести комплексное исследование процесса объёмного экранирования в монокристаллах ЬЫ и ЬТ с различным легированием и степенью отклонения от стехиометрического состава с использованием разработанных методов.
3) Исследовать влияние процессов объемного экранирования на кинетику доменной структуры в монокристаллах ЬЫ и ЬТ стехиометрического состава.
4) Провести детальное исследование кинетики доменной структуры в ЬЫ и ЬТ стехиометрического и конгруэнтного состава при циклическом переключении с ис-пользованием жидких и твердотельных электродов.
Объекты исследования
Исследование кинетики доменной структуры проводилось в монокристаллах ниобата лития и танталата лития с различной степенью отклонения от стехиометрического состава. как номинально чистых. так и легированных магнием и эрбием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Разработаны оригинальные методы определения основных параметров процесса объемного экранирования в ЬЫ и ЬТ на основе анализа: (а) токов переключения. (б) релаксации контраста «следа» доменной стенки, (в) интенсивности когерентного света, дифрагировавшего на доменных стенках.
2) Впервые проведено комплексное исследование кинетики объёмного экранирования в монокристаллах ЬЫ и ЬТ с различной степенью отклонения от стехиометрического состава и легированием.
3) Впервые прямая визуализация доменов использована для детального исследования кинетики доменной структуры в монокристаллах ЬЫ и ЬТ стехиометрического состава с рекордно низкими коэрцитивными полями.
4) Предложена модель движения доменной стенки с учетом взаимодействия с центрами пиннинга, основанная на ключевой роли запаздывания объемного экранирования. Модель успешно использована для описания экспериментальной поле-вой зависимости времени переключения в стехиометрическом ЬТ.
5) Предложен и экспериментально подтвержден новый механизм эффекта усталости в сегнетоэлектриках при циклическом переключении, обусловленный образованием «замороженных доменов» (не переключающихся областей, содержащих заряженные доменные стенки).
6) Предложен новый подход к описанию процесса усталости (зависимости оста-точной поляризации от количества циклов переключения) с использованием формулы Колмогорова-Аврами, модифицированной для переключения поляризации в ограниченном объеме.
Практическая значимость.
1. Разработанные методы измерения параметров объемного экранирования будут использованы для контроля качества и пространственной однородности моно-кристаллов LN и LT.
2. Предложенный новый механизм описания процесса усталости будет использоваться для анализа усталостных явлений и повышения ресурса работы сегнето-электрических устройств на основе циклического переключения.
3. Выявленные закономерности и параметры кинетики доменной структуры в монокристаллах LN и LT стехиометрического состава будут использоваться для разработки улучшенных методов формирования прецизионных периодических доменных структур для эффективных преобразователей длины волны с повышенной мощностью, эффективностью и надежностью.
Достоверность полученных результатовобеспечивается применением современного и надежного аттестованного оборудования, надежной статистикой проведенных экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с результатами других авторов и не-противоречивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается обоснованностью принятых допущений, а также согласованностью с экспериментальными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Методы определения основных параметров процесса объемного экранирования, основанные на анализе: (а) токов переключения, (б) релаксации контраста «следа» доменной стенки, (в) интенсивности когерентного света, дифрагировавшего на доменных стенках.
2. Результаты комплексного исследования процесса объёмного экранирования в монокристаллах LN и LT с различным легированием и степенью отклонения от стехиометрического состава.
3. Модель движения доменной стенки в слабых полях с учетом взаимодействия с центрами пиннинга, основанная на ключевой роли запаздывания объемного экранирования.
4. Особенности кинетики доменной структуры в монокристаллах LN и LT стехио-метрического и конгруэнтного состава при циклическом переключении с жидкими и твердотельными электродами
5. Новый подход к описанию зависимости остаточной поляризации от количества циклов переключения в процессе усталости, сопровождающемся ростом областей с не переключающимися доменами с заряженными доменными стенками.
Апробация работы.
Основные результаты были представлены на 25 Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: XVII, XVIII и XIX Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков (27.06-1.07.2005, Пенза; 12-14.06.2008, Санкт- Петербург; 20-23.06.2011, Москва), International Symposiums on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (26-30.06.2006, Dresden, Germany; 20-24.09.2010, Pra¬gue, Czech Republic), European Conferences on Applications of Polar Dielectrics (4¬8.09.2006, Metz, France; 26-29.08.2008, Roma, Italy), International Seminars on Ferroe- lastic Physics (10-13.09.2006, 22-25.09.2009, Воронеж, Россия), 19th International Sym¬posium on Integrated Ferroelectrics (8-12.05.2007, Bordeaux, France), International Sym¬posiums “Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics” (22-27.08.2007, 13-18.09.2009, Екатеринбург), European Meetings on Ferroelectricity (3-7.09.2007, Bled, Slovenia; 26.06-2.07.2011, Bordeaux, France,), Russia/CIS/Baltic/Japan Symposi¬ums on Ferroelectricity (15-19.06.2008, Vilnius, Lithuania; 20-24.06.2010, Yokohama, Japan), Mini-Symposium on Periodically-Modulated and Artificially Hetero-Structured Electrooptic Devices (18-21.05.2009, Grasmere, United Kingdom), 12th International Meeting on Ferroelectricity and 18th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (23-27.08.2009, Xi'an, China), 19th International Symposium on the Appli¬cations of Ferroelectrics and 10th European Conference on the Applications of Polar Die¬lectrics (10-12.08.2010, Edinburgh, United Kingdom), X, XI и XII Всероссийских молодёжных школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (9-15.11.2009, 15-21.11.2010, 14-20.11.2011, Екатеринбург), 22ой международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (14-18.09.2010, Воронеж), 2ой Уральской школе «Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия» (18-23.04.2011, Екатеринбург), 20th IEEE International Symposi¬um on Applications ofFerroelectrics and International Symposium on Piezoresponse Force Microscopy & Nanoscale Phenomena in Polar Materials (24-27.07.2011, Vancou¬ver, Canada).
Публикации и личный вклад автора.
Основные результаты исследований опубликованы в 5 статьях в реферируемых печатных изданиях и 40 тезисах Всероссийских и международных конференций (всего 45 печатных работ). 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 РФФИ (гранты 08-02-12173-офи, 10-02-96042-р_урал_а, 10-02-00627-а, 10- 02-96042-р-Урал-а, 08-02-90434-Укр_а, 08-02-99082-р_офи, 11-02-91066-CNRS-а), Федерального Агентства по образованию, ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (гос. контракты № 02.552.11.7069, П870, П2127, 16.552.11.7020), а также стипендий Губернатора Свердловской области (2010/2011 и 2011/2012 уч. г.), Правительства РФ (2010/2011 уч. г.) и Президента РФ (2011/2012 уч. г.).
Устный доклад по теме работы был признан лучшим на International Symposi¬ums “Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics”, 2009, Екатеринбург. Стендовый доклад по теме работы был признан лучшим на 10th Rus- sia/CIS/Baltic/Japan Symposiums on Ferroelectricity, 2010, Yokohama, Japan.
Все основные результаты работы были получены лично автором. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром и с.н.с. И.С. Батуриным. Экспериментальные измерения параметров объемного экранирования и интегральных параметров переключения проводились автором лично. 1п зНи визуализация кинетики доменной структуры с использованием сверхбыстрой видео-камеры проводилась совместно с м.н.с. М.С. Коневым. Исследование процесса объемного экранирования методом анализа интенсивности дифрагировавшего света проводилось совместно с м.н.с. М.С. Небогатиковым. Статистический анализ токов переключения проводился совместно с с.н.с. Е.В. Шишкиной. Визуализация доменных структур сканирующей конфокальной микроскопией комбинационного рассеяния проводилась совместно с н.с. П.С. Зеленовским.
Автором работы написано все оригинальное программное обеспечение для автоматизации обработки экспериментальных данных.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 152 страницы, включая 76 рисунков, 11 таблиц, список условных обозначений и библиографию из 167 наименований.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

Проведенное систематическое исследование влияния процессов объемного экранирования деполяризующего поля на кинетику доменной структуры в монокристаллах ЬК и ЬТ позволяет сделать следующие выводы:
1) Предложены и апробированы оригинальные методы определения основных параметров процесса объемного экранирования в ЬК и ЬТ на основе анализа токов переключения, релаксации контраста «следа» доменной стенки и интенсивности когерентного света, дифрагировавшего на доменных стенках.
2) Показано, что в монокристаллах семейства LN и LT легирование Mg и Er, а также переход от конгруэнтного состава к стехиометрическому приводят к значительному уменьшению полей объемного экранирования и увеличению характерных времен релаксации. Наблюдаемый эффект объяснен уменьшением концентрации дипольных дефектов.
3) Впервые в монокристаллах LN и LT стехиометрического состава с рекордно низкими коэрцитивными полями проведено детальное исследование кинетики доменной структуры с использованием прямой визуализации доменов. В LT стехиометрического состава впервые выявлено качественное изменение кинетики доменной структуры при переходе от слабых полей к сильным.
4) Для описания измеренной полевой зависимости времени переключения в стехиометрическом LT в слабых полях предложена модель движения доменной стенки с учетом взаимодействия с центрами пиннинга и запаздывания объемного экранирования.
5) Предложен и экспериментально подтвержден новый механизм эффекта усталости в сегнетоэлектриках при циклическом переключении, обусловленный образованием «замороженных доменов» (областей, содержащих заряженные доменные стенки).
6) Предложен оригинальный подход к описанию процесса усталости с использованием формулы Колмогорова-Аврами, модифицированной для переключения поляризации в ограниченном объеме.

Литература

1. T. Volk, M. Wöhlecke, Lithium Niobate. Defects, Photorefraction and Ferroelectric Switching,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2008
2. V. Gopalan, T. E. Mitchell, Y. Furukawa et al., The role of nonstoichiometry in
180o domain switching of LiNbO3 crystals, Appl. Phys. Lett.72, 1981-1983 (1998).
3. V. Gopalan and M. C. Gupta, Observation of internal field in LiTaO3 single crys¬tals: Its origin and time-temperature dependence, Appl. Phys. Lett 68, 7, 888 (1996)
4. X. J. Lou, Polarization fatigue in ferroelectric thin films and related materials, J. Appl. Phys 105, 2, 024101 (2009).
5. A. K. Tagantsev, I. Stolichnov, E. L. Colla et al., Polarization fatigue in ferroelec¬tric films: Basic experimental findings, phenomenological scenarios, and micro¬scopic features, J. Appl. Phys 90, 3, 1387 (2001).
6. А. Кудзин, Т. Панченко, С. Юдин, Поведение 180о-х доменных стенок моно-кристаллов ВаТЮ3 в процессе ‘усталости’ и восстановления свойств переключения, ФТТ 16, 8, 2437 (1974).
7. N. E. Yu and J. H. Ro, Near field diffraction analysis of optical domain wall image in stoichiometric LiNbO3 crystal, Phase Transit. 84, 821-828 (2011).
8. M. Müller, E. Soergel and K. Buse, Visualization of ferroelectric domains with co-herent light, Opt. Lett. 28, 24, 2515-2517(2003).
9. D. Johnston, Stretched exponential relaxation arising from a continuous sum of ex-ponential decays, Phys. Rev. B 74, 18 (2006).
10. H. Xu, D. Lee, J. He et al, Stability of intrinsic defects and defect clusters in LiNbO3 from density functional theory calculations, Phys. Rev. B 78, 17, 174103 (2008).
11. H. Xu, A. Chernatynskiy, D. Lee et al., Stability and charge transfer levels of ex-trinsic defects in LiNbO3, Phys. Rev. B 82, 18 (2010).
12. N. lyi, K. Kitamura, Y. Yajima et al., Defect Structure Model of MgO-Doped LiNbO3, J. Solid State Chem. 118, 1, 148-152 (1995).
13. M. E. Drougard and R. Landauer, On the dependence of the switching time of bari-um titanate crystals on their thickness, J. Appl. Phys. 30, 11, 1663 (1959).
14. J. Russ, Fractal Surfaces, New York: Plenum, 1994.
15. J. Feder, Fractals, New York: Plenum, 1988.
16. H. Orihara, S. Hashimoto, and Y. Ishibashi, A theory of D-E hysteresis loop based on the Avrami model, J. Phys. Soc. Japan 63, 3, 1031-1035 (1994).
17. V. Ya. Shur, E. L. Rumyantsev, E. V. Nikolaeva et al., Formation and evolution of charged domain walls in congruent lithium niobate, Appl. Phys. Lett 77, 22, 3636 (2000).
18. Y. Ishibashi and Y. Takagi, Note on ferroelectric domain Switching, J. Phys. Soc. Japan 31, 2, 506-510 (1971).
19. V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev, and S.D. Makarov, Kinetics of phase transformations in real finite systems: application to switching in ferroelectrics, J. Appl. Phys. 84, 1, 445-451 (1998).
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:
1. I. S. Baturin, A. R. Akhmatkhanov, V. Ya. Shur, M. S. Nebogatikov, M. A. Dol- bilov, E. A. Rodina, Characterization of bulk screening in single crystals of lithium niobate and lithium tantalate family, Ferroelectrics 374, 1-13 (2008).
2. I. S. Baturin, M. V. Konev, A. R. Akhmatkhanov, A. I. Lobov, V. Ya. Shur, Inves-tigation of jerky domain wall motion in lithium niobate, Ferroelectrics 374, 136¬143 (2008).
3. В. Я. Шур, А. Р. Ахматханов, И. С. Батурин, М. С. Небогатиков, М. А. Долбилов, Комплексное исследование процессов объемного экранирования в монокристаллах семейства ниобата лития и танталата лития, ФТТ 52, 2004-2010 (2010).
4. V.Ya. Shur, A.R. Akhmatkhanov, I.S. Baturin, E.V. Shishkina, Polarization rever¬sal and jump-like domain wall motion in stoichiometric LiTaO3 produced by vapor transport equilibration, J. Appl. Phys. 111, 014101-1-8 (2012).
5. V.Ya. Shur, A.R. Akhmatkhanov, I.S. Baturin, Fatigue effect in stoichiometric LiTaO3 crystals produced by vapor transport equilibration, Ferroelectrics 426, 142-151 (2012).