Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время известно достаточно много оптических сегнето-электрических кристаллов. Особое место среди них занимают кристаллы твердых растворов ниобата бария стронция SrxBai.xNb206 (SBN), которые относятся к сегнетоэлектрикам-релаксорам. Высокие электрооптические коэффициенты (превышающие электрооптические коэффициенты кристаллов группы дигид-рофосфата калия и ниобата лития), высокие пиро- и пьезоэлектрические коэффициенты выдвигают SBN в число весьма перспективных материалов для различных применений [1].
Широкие практические возможности и удобство для фундаментальных исследований кристаллов SBN обусловлены, прежде всего, сильной зависимостью оптических и диэлектрических свойств от вводимых примесей. Кристаллы SBN, легированные примесями Се и Сг, широко используются для записи динамической голографии, а также в качестве среды для оптической голографиче-ской памяти, поскольку добавление данных примесей приводит к значительному изменению фоторефрактивной чувствительности кристаллов. При введении примеси Се обнаружено увеличение фоторефрактивной чувствительности на два порядка, a SBN с примесью Сг показывает большую скорость отклика фоторефракции. В связи с этим исследование влияния примесей на сегнетоэлек-трические свойства кристаллов SBN является весьма перспективным. Введение примесей смещает точку фазового перехода и интенсифицирует процессы поляризации, происходящие в кристаллах, а также изменяет внутренние деполяризующие поля в объеме кристалла, которые, в свою очередь, изменяют условия экранирования спонтанной поляризации. В свете вышесказанного представляется интересным и актуальным поиск общих закономерностей влияния фоторефрактивных и других примесей на сегнетоэлектрические свойства кристаллов SBN.
Изучение поведения доменной структуры сегнетоэлектрика-релаксора SBN имеет не только прикладной, но и фундаментальный интерес, поскольку наличие нанодоменных состояний во многом определяет его переключательные способности и поведение электрофизических характеристик при внешних воздействиях [2].
Исследованию доменной структуры и процессов переключения в кристаллах SBN посвящено довольно много статей, как в российских, так и в зарубежных изданиях. Это, прежде всего работы Т.Р. Волк, Н.Р. Иванова, В.В. Гладкого. Известны работы связанные с непосредственным выявлением доменной структуры кристаллов SBN [3], работы [4], где приводятся результаты исследования термоиндуцированных процессов переключения в кристаллах SBN с примесями Сг и Се, работы [5], где исследовалось влияние примесей на оптические и сегнетоэлектрические свойства SBN. Наибольший интерес вызывает обнаруженная авторами [6,7] возможность записи в релаксорном сегнето-электрике ниобате бария-стронция (SBN) регулярных ID и 2D микродоменных
структур, созданных путем приложения постоянных напряжений к зонду атомно-силового микроскопа.
Интенсивные исследования кристаллов SBN обуславливают необходимость изучения влияния примесей различного рода на реальную структуру, в том числе доменную структуру этого материала. Имеется настоятельная необходимость проведения исследований взаимосвязи нанодоменнои структуры и микродоменной структуры в кристаллах-релаксорах. Информация о качественном отличии процессов переключения в SBN и участии квазирегулярных ансамблей изолированных нанодоменов с заряженными доменными стенками в процессе формирования микродоменной структуры сообщалось авторами [8]. Развитие современных методов микроскопии предоставляют широкие возможности подобных исследований, особенно, в комплексе с применением традиционных методов, таких как химическое травление.
В свете вышесказанного в работе поставлена задача исследования реальной (дефектной и доменной) структуры кристаллов SBN легированных Се, Сг, Ей и Rh методами АСМ, оптической микроскопии в комплексе с методом химического травления.
Цель работы и задачи исследования.
Целью данной работы является исследование реальной структуры (дефектной и доменной) монокристаллов сегнетоэлектрика-релаксора SBN с примесями Сг, Се, Ей и Rh.
Были поставлены следующие задачи:
выполнить комплексное исследование реальной и доменной структуры монокристаллов сегнетоэлектрика-релаксора SBN с примесями Сг, Се, Ей и Rh методами химического травления, оптической и атомно-силовой микроскопии;
установить основные закономерности изменения структуры кристалла SBN в зависимости от введённой примеси и её концентрации на основе проведения комплексного исследование кристаллов SBN легированных Се, Сг, Ей и Rh с различной концентрацией примесей;
установить связь микро- и наноразмерной доменной структуры кристаллов SBN чистых и легированных Се, Сг, Ей и Rh с различной концентрацией примесей;
установить влияние процессов отжига и поляризации на реальную структуру (дефектную и доменную) указанных объектов.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования были выбраны образцы Sro.6iBa0j9Nb206 (SBN:0,61). Все исследуемые образцы получены из кристаллов SBN, выраще-ных на физическом факультете Университета г. Оснабрюка (ФРГ) в Лаборатории роста кристаллов под руководством профессора Р. Панкрата и любезно предоставлены для исследований профессором 3. Каппханом. Исследовались кристаллы SBN с примесями Се, Сг, Ей и Rh. Концентрация примесей варьиро-
валась от 100 до 16 000 ррт. Для легирования примесями в расплав вводились оксиды соответствующих элементов.
Реальная структура (доменная и дефектная) изучалась следующими методами: химического травления, отжига, оптической микроскопии и АСМ.
Научная новизна.
Впервые проведено систематическое исследование доменной и дефектной структуры кристаллов SBN с различной концентрацией примесей Се, Сг, Ей и Rh. Обнаружено значительное влияние типа и величины концентрации примеси на конфигурацию и размерный фактор доменной структуры.
Установлена корреляция параметров процессов импульсного переключения и характерных особенностей поведения доменной структуры, обусловленных введением различных примесей.
Проведено комплексное исследование процессов отжига и поляризации на состояние доменной структуры легированных кристаллов SBN. Обнаружена корреляция поведения доменной структуры SBN и проявления пироэлектрических свойств в тонких приповерхностных слоях кристаллов SBN
Объяснение процессов формирования микроразмерной доменной структуры в SBN проводится на основе качественной модели описывающая связь микро- и наноразмерной доменной структуры.
Впервые методом АСМ установлена возможность активного воздействия на доменную структуру легированных кристаллов сегнетоэлектриков-релаксоров SBN как на полярных, так и неполярных срезах.
Практическая значимость.
Кристаллы SBN являются перспективным материалом оптоэлектронной промышленности. Результаты диссертационной работы могут применяться в организациях и на предприятиях выпускающих компоненты на основе кристаллов SBN при оценке их качества, поиске путей оптимизации их эксплуатационных параметров, а также при разработке новых применений в качестве основы элементов памяти.
Диссертационная работа выполнена при поддержке грантов: «Проведение дополнительных проблемно-ориентированных фундаментальных экспериментальных и теоретических исследований физических свойств материалов для микро- и наноэлектроники». (Роснаука), 2007 г; «Импульсные процессы переключения и реальная структура нанодоменных сегнетоэлектриков-релаксоров с фоторефрактивными примесями», 2009 г., (Минобнауки РФ); Проект П1937 от 29.11.2009 г. «Импульсные процессы переключения поляризации в модельном кристалле-релаксоре SBN с примесями металлов и способы контроля поляризации сегнетоэлектриков-релаксоров» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Основные положения, выносимые на защиту.
- Результаты комплексных экспериментальных исследований реальной и доменной структуры методами оптической и АСМ с применением способа химического травления,
Результаты исследований возможности активного воздействия на доменную структуру легированных кристаллов сегнетоэлектриков-релаксоров SBN как на полярных, так и неполярных срезах.
Положения качественной модели описывающей связь микро- и нанораз-мерной доменной структуры сегнетоэлектрика-релаксора SBN.
Апробация результатов работы.
Основные материалы диссертации докладывались на конференциях: Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, МИСиС (Московский институт стали и сплавов (технологический университет), г. Черноголовка, 2006 г.); «Молодые ученые-2006» (Москва, МИРЭА (Московский институт радиоэлектроники и автоматики, 2006 г.)); «Микроэлектроника и информатика-2007» (Москва (Зеленоград), Московский государственный институт электронной техники (технический университет), 2007 г.); «Микроэлектроника и информатика-2008», (Москва (Зеленоград), Московский государственный институт электронной техники (технический университет), 2008 г.); «Каргинские чтения», (г. Тверь, Тверской государственный университет, 2008 г.); ВКС XVIII, (г. Санкт-Петербург, С.-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» (2008 г.); «Молодые ученые-2008», (Москва, МИРЭА (Московский институт радиоэлектроники и автоматики, 2008 г.); XIV Национальной конференции по росту кристаллов, IV Международной конференции «Кристаллофизика XXI века», посвященной памяти Шаскольской, НКРК-2010, (Москва, 6-10 декабря 2010 г.); XIX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков 20-23 июня, BKC-XIX (Москва, 2011 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из которых 3 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора в разработку проблемы.
Автором получены все основные экспериментальные результаты, выполнены соответствующие расчеты физических параметров, проведена интерпретация экспериментальных данных.
Выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились автором совместно с научным руководителем. Исследования импульсных процессов переключения проведены совместно с Бурцевым А.В., исследования пироэлектрических свойств, проведены совместно с О.В. Малышкиной.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем составляет 160 страниц, включая 81 рисунок, 7 таблиц. Список цитированной литературы содержит 130 наименований.
