
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Исследование эволюции доменной структуры при переключении поляризации кристаллов семейства многоосного релаксорного сегнетоэлектрика магнониобата-титаната свинца

Работа №	102574
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	23
Год сдачи	2021
Стоимость	250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	101

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Актуальность темы исследования и степень её разработанности
В настоящее время из пьезоэлектрических материалов изготавливается большинство электромеханических устройств: преобразователи, датчики и исполнительные механизмы. Они широко используются для неразрушающего контроля, медицинской диагностики и терапии, связи и подводной акустики. Электромеханические свойства пьезоэлектрических материалов являются определяющими факторами для работы этих устройств. Следовательно, для развития электромеханических устройств всегда необходимы пьезоэлектрические материалы с теми или иными улучшенными характеристиками, что требует использования современных экспериментальных и теоретических подходов [1].
Сегнетоэлектрики, являясь одновременно и пьезоэлектриками, обладают спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено приложением внешнего электрического поля. Этот процесс осуществляется за счет образования и роста доменов [2].
За последние два десятилетия кристаллы релаксорного сегнетоэлектрика магнониобата-титаната свинца (7-х)РЬ(Мд1/зЫЬ2/з)О3-хРЬТЮ3 (РМЫ-РТ) привлекли большое внимание научного сообщества, благодаря рекордным пьезоэлектрическим коэффициентам (б33> 2000 пм/В) [3]. Успехи в производстве крупногабаритных монокристаллов РМЫ-РТ диаметром более 4 дюймов способствовали их применению для изготовления пьезоэлектрических двигателей и приводов, ультразвуковых преобразователей и медицинских диагностических приборов [1].
Недавно был показан метод значительного увеличения пьезоэлектрических свойств кристаллов РМЫ-РТ ромбоэдрической фазы, вырезанных перпендикулярно [001]. В качестве метода доменной инженерии предлагалось переключение переменным полем, что позволяло повышать эффективность электромеханического преобразования [4]. Было предположено, что улучшение пьезоэлектрических характеристик связано с увеличением размера доменов. Также релаксорные сегнетоэлектрики рассматриваются как потенциальные материалы для преобразования частоты оптического излучения в режиме квазифазового синхронизма [5].
Одной из важнейших прикладных задач является создание в сегнетоэлектрических кристаллах стабильных доменных структур заданной геометрии. Обычно такие структуры создают приложением неоднородного электрического поля с помощью соответствующей структуры электродов. Однако, недостаточное исследование особенностей эволюции доменной структуры при переключении поляризации в кристаллах РМЫ-РТ различных фаз затрудняет решение этих проблем.
Актуальность задач настоящей работы подтверждается поддержкой исследований в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ, а также Российским фондом фундаментальных исследований.
Цель работы - экспериментальное исследование эволюции доменной структуры при переключении поляризации кристаллов семейства многоосного релаксорного сегнетоэлектрика магнониобата-титаната свинца (РМЫ-РТ).
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1) исследовать особенности эволюции доменной структуры при переключении поляризации в кристаллах PMN-PT в различных фазах при приложении поля вдоль полярных и неполярных осей c с использованием in situ оптической визуализации;
2) провести сравнительный анализ токов переключения и соответствующих последовательностей мгновенных оптических изображений доменной структуры при переключении поляризации;
3) исследовать изображения статической доменной структуры, полученные методами оптической микроскопии и силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика, с целью выявления основных типов доменов и особенностей их формирования.
Научная новизна:
• Для исследования эволюции доменной структуры в кристаллах семейства PMN-PT использована комбинированная методика in situоптической визуализации и регистрации тока переключения.
• При переключении поляризации вдоль полярных осей в монодоменных образцах PMN-PT тетрагональной и ромбоэдрической фаз выявлены конкурирующие процессы эволюции доменной структуры: (1) рост а-доменов, (2) образование нейтральных и заряженных доменных стенок на пересечении а-доменов и (3) рост с- доменов неправильной формы.
• Формирование «двойных» и «тройных» петель диэлектрического гистерезиса в PMN-PT в ромбоэдрической фазе в температурных диапазонах, соответствующих релаксорной фазе, при переключении электрическим полем, направленным вдоль [111], объяснено за счёт влияния деполяризующих полей, создаваемых связанными зарядами на фазовых границах неполярных включений.
• Показано, что увеличение пьезоэлектрического коэффициента при переключении поляризации переменным полем, приложенным вдоль [001] направления в PIN-PMN-PT в ромбоэдрической фазе, обусловлено постепенным уменьшением доли вмороженной доменной структуры при многократном 71-градусном переключении.
Практическая и теоретическая значимость работы
Выявлены особенности кинетики доменной структуры в PMN-PT тетрагональной и ромбоэдрической фаз при переключении поляризации вдоль полярных осей. Достигнуто рекордное значение пьезоэлектрического коэффициента d33для кристаллов PIN-PMN-PT ромбоэдрической фазы в результате переключения поляризации переменным полем (d33= 2830 ± 30 пм/В), что обусловлено постепенным уменьшением доли вмороженной доменной структуры при многократном 71-градусном переключении. Полученные результаты открывают перспективы для контролируемого создания доменных структур, необходимых при создании высокоэффективных электромеханических преобразователей.
Положения, выносимые на защиту:
1. Переключение поляризации монокристалла PMN-PT тетрагональной или ромбоэдрической фаз происходит за счёт образования и роста а-доменов, формирования доменных структур с заряженными доменными стенками на пересечениях а-доменов, и роста с-доменов.
2. Немонотонная форма тока переключения при переключении поляризации в PMN-PT в ромбоэдрической фазе, вырезанных перпендикулярно [111], обусловлена локальным ускорение границ с-доменов при слиянии.
3. Наличие двойных и тройных петель диэлектрического гистерезиса в релаксорной фазе 0,72PMN-0,28PT обусловлено влиянием неоднородных деполяризующих полей, создаваемых связанными зарядами, локализованными на границах неполярных включений.
4. Значительное увеличение пьезоэлектрического коэффициента в PIN-PMN-PT ромбоэдрической фазы в результате переключения поляризации переменным полем, приложенным вдоль [001], обусловлено постепенным уменьшением доли вмороженной доменной структуры при многократном 71-градусном переключении.
5. Формирование доменной структуры, характерной для моноклинной фазы, в 0,69PMN-0,31PT в ромбоэдрической фазе в результате многократного переключения поляризации прямоугольными импульсами постоянного поля, приложенным вдоль [001], обусловлено индуцированным электрическим полем фазовым переходом.
Объекты исследования. В качестве объекта исследований в работе использованы монокристаллы многоосного релаксорного сегнетоэлектрика магнониобата-титаната свинца (7-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-.xPbTiO3 (PMN-PT) составов, соответствующих тетрагональной, ромбоэдрической фазам, а также монокристаллы магноиндониобата-титаната свинца Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PIN-PMN-PT). Исследовались особенности эволюции доменной структуры при переключении поляризации и при температурной обработке.
Методология и методы исследования. Экспериментальное исследование свойств кристаллов семейства PMN-PT и их доменной структуры проводилось с использованием современного аналитического оборудования. Исследование эволюции доменной структуры проводилось с помощью оптической поляризационной микроскопии, совмещённой с устройством одновременной записи тока переключения. Визуализация доменной структуры на поверхности образцов осуществлялась с помощью силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением поверенных и калиброванных средств измерений, использованием современных методик и оборудования, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов измерений, согласием с результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью допущений, а также согласованностью с экспериментальными результатами.
Апробация результатов. Основные результаты были представлены автором лично на двенадцати российских и международных конференциях и симпозиумах: 1) International Workshop “Modern Nanotechnologies” (Екатеринбург, 2016); 2) International Doctoral Students Conference (Ханчжоу, Китай, 2017); 3) XXI Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XXI) (Казань, 2017), 4) International Conference Scanning Probe Microscopy (Екатеринбург, 2017); 5) Joint International Conference ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM (Хиросима, Япония, 2018); 6) 14th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposia on Ferroelectricity (Санкт-Петербург, 2018); 7) European Conference on Applications of Polar Dielectrics (Москва, 2018); 8) V Международная Молодежная Научная конференция Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2018 (Екатеринбург, 2018); 9) International Conference “Scanning Probe Microscopy 2018” (Екатеринбург, 2018); 10) Joint ISAF-ICE-EMF-IWPM-PFM meeting (Лозанна, Швейцария, 2019); 11) Joint International Conference “SPM-2019-RCWDFM” (Екатеринбург, 2019); 12) Международная Онлайн-конференция «Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учеными. Столетие открытия сегнетоэлектричества» (Екатеринбург, 2020).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследования опубликованы в 23 печатных работах (в том числе в девяти статьях в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ и входящих в международные базы цитирования Scopus и WoS) ив 14 тезисах Всероссийских и международных конференций).
Диссертационная работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния и наноразмерных систем Института естественных наук с использованием оборудования Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке РФФИ (грант 17-52-80116 БРИКС_а).
Пластины кристаллов были получены от научного коллектива под руководством профессора Ч. Сю из Сианьского транспортного университета, Китай. Механическая обработка пластин проводилась инженером Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Д. П. Грешняковым и м.н.с. отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Е. Д. Грешняковым.
Основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем, профессором В. Я. Шуром, с.н.с. А. Р. Ахматхановым и м.н.с. А. А. Есиным. Эксперименты по переключению поляризации, исследование параметров доменной структуры, анализ и обработка результатов проводились лично автором. Исследование доменных структур на микроуровне методом сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика проводились совместно с с.н.с. Д. О. Аликиным и м.н.с. А. П. Турыгиным. Автор принимал непосредственное участие в подготовке публикаций и докладов для международных и российских конференций по теме работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованных источников. Общий объем работы составляет 124 страницы, включая 76 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 174 наименований.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

Впервые с использованием in situоптической визуализации и одновременной регистрации тока переключения систематически исследована эволюция доменной структуры при переключении поляризации в монокристаллах PMN-PT различных составов и фаз при приложении электрического поля вдоль полярных и неполярных осей:
1) При переключении поляризации вдоль полярных осей в монодоменных образцах PMN-PT тетрагональной и ромбоэдрической фаз выявлены три конкурирующих процесса эволюции доменной структуры: (1) рост а-доменов, (2) образование нейтральных и заряженных доменных стенок на пересечении а- доменов и (3) рост с-доменов.
2) Показано, что в PMN-PT тетрагональной фазы основной пик тока переключения обусловлен ростом с-доменов. Анализ тока переключения с использованием модифицированного подхода Колмогорова-Аврами позволил выявить изменение размерности роста доменов, обусловленное переключением в конечном объеме.
3) Формирование «двойных» и «тройных» петель диэлектрического гистерезиса в релаксорной фазе в пластинах PMN-PT ромбоэдрической фазы при переключении электрическим полем, направленным вдоль [111], объяснено влиянием деполяризующих полей, создаваемых связанными зарядами на фазовых границах.
4) На примере PIN-PMN-PT ромбоэдрической фазы показано, что увеличение пьезоэлектрического коэффициента при обработке переменным электрическим полем обусловлено уменьшением доли вмороженной доменной структуры при многократном переключении за счет роста линзовидных доменов. Обработка переменным полем позволила достигнуть рекордное значение пьезоэлектрического коэффициента d33для кристаллов PIN-PMN-PT ромбоэдрической фазы (d33= 2830 пм/В). Обнаруженная корреляция между полем, соответствующим максимуму тока переключения, и долей вмороженной доменной структуры позволила предложить методику оптимизации параметров обработки переменным полем.
5) В образцах PMN-PT ромбоэдрической фазы, вырезанных перпендикулярно [001], при переключении поляризации выявлено формирование структуры полосовых нанодоменов, характерной для моноклинной фазы. Выявлена активационная полевая зависимость характерных времен переключения с полем активации около 1 кВ/мм.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Наибольший интерес представляет дальнейшее изучение эволюции доменной структуры в объёме кристаллов семейства PMN-PT различных фаз при воздействии электрического поля для совершенствования методов доменной инженерии с целью повышения пьезоэлектрического коэффициента и создания регулярной доменной структуры.

Литература

1. Sun E. Relaxor-based ferroelectric single crystals: Growth, domain engineering, characterization and applications / E. Sun, W. Cao // Progress in Materials Science. - 2014. - Vol. 65. - P. 124-210.
2. Лайнс М.Е. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М.Е. Лайнс, А.М. Гласс. - М.: Мир, 1981. - 736 с.
3. Bokov A.A. Recent progress in relaxor ferroelectrics with perovskite structure / A.A. Bokov, Z.-G. Ye // Journal of Materials Science. - 2006. - Vol. 41. - № 1. - P. 31-52.
4. Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity / C. Qiu [et al.] // Nature. - 2020. - Vol. 577. - № 7790. - P. 350-354.
5. Spectral and thermal properties of quasi phase-matching second-harmonic-generation in Nd3+:Sr0.6Ba0.4(NbÜ3)2 multiself-frequency-converter nonlinear crystals / J.J. Romero [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 93. - № 5. - P. 3111-3113.
6. Characterization of Pb(In1/2Nb1/2)Ü3-Pb(Mg1/3Nb2/3)Ü3-PbTiÜ3 ferroelectric crystal with enhanced phase transition temperatures / S. Zhang [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2008. - Vol. 104. - № 6. - P. 64106.
7. Davis M. Phase transitions, anisotropy and domain engineering: the piezoelectric properties of relaxor-ferroelectric single crystals / M. Davis; École Polytechnique Fédérale de Lausanne. - Lausanne, 2006. - 360 p.
8. High composition uniformity of 4"of PIN-PMN-PT single crystals grown by the modified Bridgman method / Z. Li [et al.] // Journal of Crystal Growth. - 2017. - Vol. 468. - P. 331-334.
9. Direct observation of asymmetric domain wall motion in a ferroelectric capacitor / J.K. Lee [et al.] // Acta Materialia. - 2013. - Vol. 61. - № 18. - P. 6765-6777.
10. Complex study of bulk screening processes in single crystals of lithium niobate and lithium tantalate family / V.Y. Shur [et al.] // Physics of the Solid State. - 2010. - Vol. 52. - № 10. - P. 2147-2153.
11. Esin A.A. Dielectric Permittivity Enhancement By Charged Domain Walls Formation In Stoichiometric Lithium Niobate / A.A. Esin, A.R. Akhmatkhanov, V.Y. Shur // KnE Materials Science.
- Knowledge E, 2016. - Vol. 2016. - P. 57-63.
12. Shur V. Kinetics of phase transformations in real finite systems: Application to switching in ferroelectrics / V. Shur, E. Rumyantsev, S. Makarov // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol. 84. - P. 445.
13. Vector Piezoresponse Force Microscopy / S. V. Kalinin [et al.] // Microscopy and Microanalysis. - 2006. - Vol. 12. - № 3. - P. 206-220.
14. Polarization reversal in relaxor PZN-PT single crystals / V.A. Shikhova [et al.] // Ferroelectrics. - 2010. - Vol. 398. - P. 115-126.
15. Kleemann W. Dynamic behavior of polar nanodomains in PbMg1/3Nb2/3O3 / W. Kleemann, R. Lindner // Ferroelectrics. - 1997. - Vol. 199. - P. 1-10.
16. Piezoelectric performance enhancement of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.25PbTiO3 crystals by alternating current polarization for ultrasonic transducer / J. Xu [et al.] // Applied Physics Letters. - 2018. - Vol. 112. - № 18. - P. 182901.
17. Erhart J. Three dimensional domain structures for domain engineered rhombohedral perovskite ferroelectric crystals / J. Erhart, W. Cao // Ferroelectrics. - 2012. - Vol. 426. - P. 13-20.
18. Temperature dependence of electric-field-induced domain switching in 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-
O. 3PbTiO3 single crystal / Z. Wang [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. - 2012. - Vol. 527. -P.101-105.
19. Dielectric and piezoelectric properties of 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystal poled using alternating current / W.Y. Chang [et al.] // Materials Research Letters. - 2018. - Vol. 6. - № 10. - P. 537-544.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных
ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ:
1. Akhmatkhanov, A. R. Polarization reversal and domain kinetics in PMN-30PT single crystals / A. R. Akhmatkhanov, E. D. Greshnyakov, A. D. Ushakov, E. M. Vaskina, D. O. Alikin, X. Wei, Z. Xu, Z. Li, S. Wang, Y. Zhuang, Q. Hu, V. Ya. Shur // Ferroelectrics - 2017. - Vol. 508. - pp. 31-39. - 0,50 п. л. / 0,08 п. л. - (Scopus, Web of Science).
2. Ushakov, A. D. In situ visualization of domain structure evolution during field cooling in 0,67PMN- 0,33PT single crystal / A. D. Ushakov, A. A. Esin, D. S. Chezganov, A. P. Turygin, A. R. Akhmatkhanov, Q. Hu, L. Sun, X. Wei, V. Ya. Shur // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering - 2017. - P. 12025. - 0,36 п. л. / 0,06 п. л. - (Scopus, Web of Science).
3. Hu, Q. Investigation of domain structure evolution during zero-field temperature treatment in 0,67PMN-0,33PT single crystals / Q. Hu, A. D. Ushakov, A. A. Esin, E. O. Vlasov, D. S. Chezganov, L. Sun, A. P. Turygin, X. Wei, V. Ya. Shur // Ferroelectrics - 2018. - Vol. 525. - P. 114-122. - 0,55 п. л. / 0,11 п. л. - (Scopus, Web of Science).
4. Ushakov, A. D. Direct observation of the domain kinetics during polarization reversal of tetragonal PMN-PT crystal / A. D. Ushakov, A. A. Esin, A. R. Akhmatkhanov, Q. Hu, X. Liu, Y. Zhao, X. Wei, and V. Ya. Shur // Applied Physics Letters - 2018. - Vol. 113. - P. 112902. - 0,49 п. л. / 0,16 п. л. - (Scopus, Web of Science).
5. Liu, X. Temperature and electric field treatment of the rhombohedral PMN-PT single crystals / X. Liu, A. D. Ushakov, Y. Zhao, A. A. Esin, A. R. Akhmatkhanov, X. Wei, Z. Xu, M. Khanuja, S. S. Islam, V. Ya. Shur // Ferroelectrics - 2019. - V. 541. - pp. 66-73 - 0,5 п. л. / 0,17 п. л. - (Scopus, Web of Science).
6. Ushakov, A. D. Direct observation of domain kinetics in rhombohedral PMN-28PT single crystals during polarization reversal / A. D. Ushakov, A. A. Esin, A. R. Akhmatkhanov, Q. Hu, X. Liu, Y. Zhao, A. A. Andreev, X. Wei, V. Ya. Shur // Applied Physics Letters - V115 - P. 102903 - 2019 - 0,47 п. л. / 0,24 п. л. - (Scopus, Web of Science).
7. Liu, X. Different domain switching kinetics in tetragonal PMN-PT single crystal studied by in situ observation and current analysis / X. Liu, Y. Zhao, Q. Hu, A. D. Ushakov, P. Luan, X. Fu, W. Zhao, Y. Zhuang, A. R. Akhmatkhanov, V. Ya. Shur, Y. Liu, Z. Li, X. Wei, Z. Xu // Journal of the European Ceramic Society - 2020 - V40 - pp. 2922-2928 - 0,83 п. л. / 0,1 п. л. - (Scopus, Web of Science).
8. Ushakov, A. D. Dense ferroelectric-ferroelastic domain structures in rhombohedral PMN-28PT single crystals / A. D. Ushakov, A. P. Turygin, A. R. Akhmatkhanov, D. O. Alikin, Q. Hu, X. Liu, Y. Zhao, Z. Xu, X. Wei, V. Ya. Shur // Applied Physics Letters - V. 116 - P. 182901 - 2020 - 0,51 п. л. / 0,26 п. л. - (Scopus, Web of Science).
9. Ushakov, A. D. Domain structure evolution during alternating current poling and its influence on the piezoelectric properties in [001]-cut rhombohedral PIN-PMN-PT single crystals / A.D. Ushakov, Q. Hu, X. Liu, Z. Xu, X. Wei, V. Ya. Shur // Applied Physics Letters - V. 118 - P. 232901 - 2021 - 0,57 п. л. / 0,38 п. л. - (Scopus).
Результаты работы были также опубликованы в 14 тезисах Всероссийских и международных конференций