Введение 5
Глава 1. Литературный обзор 13
1.1 Определение и основные свойства сегнетоэлектриков 13
1.1.1 Деполяризующее поле 14
1.1.2 Внешнее экранирование 15
1.1.3 Механизмы внутреннего экранирования 16
1.2 Переключение поляризации под действием внешнего электрического поля 17
1.2.1 Кинетика доменной структуры 17
1.2.2 Особенности переключения поляризации при неэффективном
экранировании 19
1.3 Использование сканирующей зондовой микроскопии при
исследовании сегнетоэлектриков 20
1.3.1 Атомная силовая микроскопия 21
1.3.2 Силовая микроскопия зонда Кельвина 22
1.3.3 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика 23
1.3.4 Локальное переключение поляризации 25
1.3.5 Измерение локальных петель гистерезиса 28
1.4 Ниобат лития 30
1.4.1 Физические свойства 30
1.4.2 Доменная структура 32
1.5 Цирконат -титанат бария-кальция 32
1.5.1 Физические свойства 32
1.5.2 Доменная структура 33
1.6 Ниобат натрия-калия 34
1.6.1 Физические свойства 34
1.6.2 Доменная структура 35
1.7 Феррит висмута 37
1.7.1 Физические свойства 37
1.7.2 Доменная структура 38
1.8 Краткие выводы 39
Глава 2. Исследуемые образцы, экспериментальные установки и методики экспериментов 41
2.1 Исследуемые образцы 41
2.1.1 Монокристаллы ниобата лития 41
2.1.2 Бессвинцовая пьезокерамика цирконат-титанат бария-кальция . 41
2.1.3 Бессвинцовая пьезокерамика ниобат натрия-калия 42
2.1.4 Бессвинцовая пьезокерамика феррит висмута 42
2.2 Экспериментальные установки 43
2.2.1 Сканирующая зондовая микроскопия 43
2.2.2 Сканирующая электронная микроскопия 44
2.3 Методика измерений в режиме силовой микроскопии
пьезоэлектрического отклика 45
2.3.1 Методика анализа размера доменов 45
2.3.2 Методика анализа концентрации доменных стенок 46
2.3.2 Методика количественного разделения фаз 47
2.4 Методика измерений в режиме силовой микроскопии зонда Кельвина 48
2.5 Методика локального переключения поляризации 48
2.6 Методика измерения локальных петель гистерезиса 51
2.7 Методика измерения диэлектрической проницаемости 51
2.8 Методика селективного химического травления 52
2.9 Расчёты методом конечных элементов 53
2.10 Краткие выводы 53
Глава 3. Прямое прорастание доменов. Исследование на неполярных срезах ниобата лития 55
3.1 Рост домена при локальном переключении на неполярном срезе
ниобата лития 55
3.2 Форма доменов в объеме 58
3.3 Краткие выводы 59
Глава 4. Взаимодействие изолированных доменов на неполярном срезе 61
4.1 Влияние влажности на размеры доменов 61
4.2 Влияние расстояния между точками переключения на размеры
доменов 62
4.3 Фазовая диаграмма 64
4.4 Краткие выводы 64
Глава 5. Формирование самоорганизованной доменной структуры на неполярном срезе 66
5.1 Формирование самоорганизованной структуры при сканировании с
приложением напряжения в CLN 66
5.2 Формирование самоорганизованной структуры при сканировании без
приложения напряжения в CLN 68
5.3 Моделирование роста самоорганизованной структуры 74
5.4 Краткие выводы 80
Глава 6. Доменная структура и ее эволюция в отдельных зернах сегнетоэлектрической керамики 81
6.1 Влияние легирования на исходную доменную структуру 81
6.1.1 Исходная доменная структура в керамиках BFO: Sm 81
6.1.2 Исходная доменная структура в керамиках KNN:Sr 82
6.2 Исходная доменная структура в керамике BCZT 84
6.3 Роль заряженных доменных стенок в диэлектрической релаксации в
керамике KNN 86
6.4 Локальное переключение поляризации в отдельном зерне 88
6.5 Релаксация индуцированной доменной структуры в CBZT 95
6.6 Краткие выводы 96
Заключение 98
Благодарности 100
Список сокращений условных обозначений 101
Список литературы 105
Список публикаций по теме диссертации 119

Купить

Процесс переключения поляризации под действием внешнего электрического поля в сегнетоэлектриках, сопровождаемый изменением доменной структуры, может быть рассмотрен как аналог фазового перехода первого рода. Исследование кинетики фазовых переходов в физике конденсированного состояния представляет значительный интерес для изучения общих закономерностей кинетики фазовых превращений.
Исследование эволюции доменной структуры является важной фундаментальной задачей физики сегнетоэлектриков. В частности, значительный интерес представляет исследование роста доменов в полярном направлении (“прямое прорастание”), сопровождаемое формированием заряженных доменных стенок. Следует отметить, что экспериментальное изучение этого процесса затруднено необходимостью визуализации доменов в объеме с высоким пространственным разрешением. В результате к настоящему времени одна из основных стадий эволюции доменной структуры при переключении поляризации сравнительно слабо изучена.
Наличие доменных стенок в сегнетоэлектриках оказывает существенное влияние на диэлектрические, пьезоэлектрические и нелинейно-оптические свойства [1]. Поэтому исследования кинетики доменной структуры представляют значительный интерес для развития методов микро- и нанодоменной инженерии [2]. Основной целью доменной инженерии является изменение характеристик сегнетоэлектриков важных для применения путем создания стабильных доменных структур с необходимыми параметрами для улучшения характеристик устройств за счет пространственной модуляции пьезоэлектрических, электрооптических, фоторефрактивных и нелинейно¬оптических свойств. Особый интерес представляет создание преобразователей частоты лазерного излучения на основе кристаллов с периодическими доменными структурами и устройств хранения данных со сверхвысокой плотностью записи [3].
Одним из методов исследования и создания нанодоменных структур с высоким пространственным разрешением является сканирующая зондовая микроскопия. Локальное переключение поляризации с помощью зонда сканирующего зондового микроскопа, позволяет изучать доменную структуру с высоким пространственным разрешением в отдельных зернах керамики [4], а также исследовать прямое прорастание доменов и формирование самоорганизованных нанодоменных структур на неполярном срезе монокристаллов сегнетоэлектриков.
В качестве объекта исследований в работе использованы монокристаллы семейства одноосного сегнетоэлектрика ниобата лития ЫМЬСз. Этот кристалл является наиболее широко используемым нелинейно-оптическим материалом. Кроме того, высокая однородность кристаллов и сравнительно простая доменная структура, которая может быть визуализирована с высоким пространственным разрешением различными методами, позволяет использовать его как модельный материал. Также была исследована доменная структура и особенности локального переключения в бессвинцовых сегнетоэлектрических керамиках: Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.10O3 (ВС2Т),
Вц-хЗшхТеОз (ВТО-100х%8ш) и (К0.5Ка0.5)1-2хЗгхКЪОз (ККК-100х%8г), которые рассматриваются в настоящее время как наиболее вероятные кандидаты для замены наиболее распространенной пьезокерамики титаната- цирконата свинца в связи с её токсичностью [5].
Таким образом, проводимые исследования имеют важное фундаментальное и прикладное значение.
Цель работы заключается в исследовании особенностей формирования доменной структуры на неполярном срезе одноосного сегнетоэлектрика ниобата лития и в отдельных зернах бессвинцовых пьезокерамик при локальном переключении поляризации проводящим зондом сканирующего микроскопа.
Основные задачи:
1) Исследовать рост доменов в полярном направлении и их форму, а также взаимодействие изолированных доменов при локальном переключении на неполярных срезах СЕИ и МдОЪИ.
2) Исследовать формирование самоорганизованной доменной структуры на неполярных срезах СкИ при сканировании зондом с приложением напряжения и заземленным зондом без приложения напряжения.
3) Провести компьютерное моделирование формирования
самоорганизованной доменной структуры при переключении на
неполярном срезе с учетом электростатического взаимодействия
изолированных доменов.
4) Исследовать влияние легирования на исходную доменную структуру бессвинцовых пьезокерамик ВБО:8ш и ККЛ:8г.
5) Исследовать особенности локального переключения поляризации и релаксации индуцированной доменной структуры в отдельных зернах бессвинцовых пьезокерамик ККЛ:8г и ВС2Т.
Объекты исследования. В качестве объекта исследований в работе использованы монокристаллы одноосного сегнетоэлектрика ниобата лития Ь1ИЬО3 (ЬИ) конгруэнтного состава (СЬИ) и легированного 5% оксида магния (МдОЪИ). Исследовалось прямое прорастание доменов и формирование самоорганизованных доменных структур в результате локального переключения поляризации на неполярных X и У срезах. Исходная доменная структура, локальное переключение поляризации и релаксация индуцированной доменной структуры изучались в бессвинцовых пьезокерамиках ВБО, КИИ и ВС2Т.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Впервые с высоким пространственным разрешением проведено исследование роста доменов в полярном направлении (прямое прорастание) и предложена оригинальная модель для описания процесса за счет
генерации ступеней на доменной стенке и движения взаимодействующих
заряженных кинков.
2) При локальном переключении поляризации на неполярных срезах монокристаллов МдО:ЬИ выявлено три режима чередования длин образующихся доменов: однородный, прерывистый квазипериодический и хаотический.
3) Обнаружено формирование самоорганизованной доменной структуры на неполярных срезах ОВИ при сканировании зондом СЗМ с приложением напряжения. Измерена полевая зависимость длины доменов и периода структуры, выявлены режимы кратного увеличения периода структуры - удвоения и учетверения.
4) Впервые обнаружено формирование самоорганизованной доменной структуры на неполярных срезах ОВИ при сканировании заземленным зондом СЗМ без приложения напряжения вблизи ранее переключённого домена.
5) Проведено моделирование формирования квазирегулярных рядов изолированных доменов на неполярном срезе ЬИ с учетом электростатического взаимодействия доменов с заряженными доменными стенками.
6) Выявленное увеличение диэлектрической проницаемости с ростом степени легирования в КИИАг отнесено за счет увеличения концентрации проводящих заряженных доменных стенок, являющихся проводящими включениями в диэлектрической матрице, что создает эффект релаксации Максвелла-Вагнера.
7) Анализ зависимостей радиуса домена от длительности и амплитуды импульса при локальном переключении в отдельных зернах бессвинцовых пьезокерамик, позволил определить поля активации и поля смещения, характеризующие движение доменных стенок.
Теоретическая значимость:
1) Предложена оригинальная модель для объяснения роста домена в полярном направлении (прямого прорастания) - одной из стадий эволюции доменной структуры при переключении поляризации.
2) Предложена и апробирована модель для объяснения эффекта переключения поляризации проводящим заземленным зондом без приложения напряжения, с учетом ранее поверхностного инжектированного заряда.
3) Проведено моделирование формирования квазирегулярных рядов доменов на неполярном срезе с учетом взаимодействия изолированных доменов с заряженными доменными стенками, и выявлены режимы чередования длин доменов, аналогичные экспериментальным результатам.
Практическая значимость:
1) Закономерности роста и взаимодействия изолированных доменов представляют интерес для развития технологий создания регулярных доменных структур.
2) Формирование квазирегулярных доменных структур при сканировании зондом на неполярном срезе может быть использовано для развития инженерии доменных стенок и создания субмикронных периодических доменных структур.
3) Зависимость диэлектрической проницаемости от параметров доменной структуры позволит улучшать диэлектрические и пьезоэлектрические свойства керамик.
Положения, выносимые на защиту:
1) Прямое прорастание изолированного домена при локальном переключении на неполярных срезах ЬЫ и его аномально большая длина обусловлены генерацией ступеней вблизи зонда и движением взаимодействующих заряженных кинков в полярном направлении.
2) Чередование длин изолированных доменов, образующихся при локальном переключении поляризации на неполярных срезах ЬЫ, обусловлено
10 электростатическим взаимодействием доменов с заряженными доменными стенками.
3) Формирование самоорганизованной доменной структуры на неполярных срезах LN при сканировании заземленным зондом СЗМ без приложения напряжения обусловлено влиянием заряда, инжектированного ранее при создании исходного домена.
4) Формирование самоорганизованной доменной структуры при сканировании поверхности неполярного среза LN обусловлено взаимодействием между изолированными клиновидными доменами с заряженными доменными стенками.
5) Значительное увеличение диэлектрической проницаемости с ростом степени легирования в пьезокерамике KNN:Sr обусловлено увеличением концентрации проводящих заряженных доменных стенок, играющих роль проводящих включений в диэлектрической матрице.
6) Кинетика доменных стенок при локальном переключении поляризации в отдельных зернах исследованных пьезокерамик KNN:Sr, BFO:Sm, BCZT, подчиняется активационному закону с учетом поля смещения.
Методология и методы исследования. Подробные экспериментальные исследования доменной структуры проводились с использованием современного высокоточного аналитического оборудования. Визуализация доменной структуры была осуществлена с помощью силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика. Доменная структура после селективного травления была визуализирована при помощи сканирующей электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. Расчёты пространственного распределения электрического поля проводились с использованием программных пакетов Wolfram Mathematica и COMSOL Multiphysics 5.0.

Купить