Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Взаимодействие проникающей радиации с кристаллическим веществом 10
1.1.1 Механизмы образования и основные типы радиационных дефектов в кристаллах 10
1.1.2 Облучение нейтронами 12
1.1.3 Облучение электронами и у- лучами 14
1.2 Взаимодействие лазерного излучения с веществом 16
1.3 Переключение поляризации в сегнетоэлектриках 18
1.3.1 Локальный подход: кинетика доменной структуры 18
1.3.2 Интегральный подход: ток переключения и
петля диэлектрического гистерезиса 22
1.4 Экранирование деполяризующего поля 28
1.5 Явление усталости при циклическом переключении поляризации в сегнетоэлектриках 32
1.5.1 Общая характеристика 32
1.5.2 Влияние условий эксперимента на эффект усталости 33
1.5.3 Механизмы усталости 35
1.5.4 Кинетический подход 38
1.6 Кинетика доменов в неравновесных условиях 39
1.7 Влияние проникающей радиации на диэлектрические свойства сегнетоэлектриков 43
1.7.1 Влияние >'-облучения и облучения электронами на переключение поляризации 43
1.7.2 Влияние облучения нейтронами на переключение поляризации в
сегнетоэлектриках 49
1.8 Влияние лазерного излучения свойства сегнетоэлектриков 54
1.8.1 Индуцированное лазерным излучением изменение показателя преломления в монокристаллах ыиобата и танталата лития 54
1.8.2 Влияние лазерного излучения на переключение поляризации и доменную структуру монокристаллов ниобата и танталата лития 55
1.9 Монокристаллы ниобата лития 58
1.10 Тонкие пленки цирконата-титаната свинца 61
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 64
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 65
2.1 Исследуемые образцы 65
2.1.1 Конгруэнтные и легированные монокристаллы ниобата лития 65
2.1.2 Тонкие пленки титаната-цирконата свинца 65
2.2 Облучение исследуемых образцов 66
2.2.1 Облучение монокристаллов ниобата лития интенсивным лазерным излучением 66
2.2.2 Облучение тонких пленок рентгеновским излучением, нейтронами и
электронами 67
2.3 Установка для исследования переключения поляризации в тонких пленках 68
2.4 Методики измерений 71
2.4.1 Анализ токов переключения и петель диэлектрического гистерезиса
в тонких пленках 71
2.4.2 Визуализация доменной структуры в монокристаллах ниобата лития без
травления 72
2.4.2.1 Оптическая визуализация 72
2.4.2.2 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика (PFM) 73
2 A3 Визуализация доменной структуры в монокристаллах ниобата лития после
травления 74
2.4.3.1 Селективное химическое травление 74
2.4.3.2 Оптическая визуализация 75
2.4.3.3 Визуализация рельефа травления с помощью атомно-сшовой микроскопии 75
2.4.4 Статистическая обработка и фрактальный анализ оптических изображений 76
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ 78
3.1 Циклическое переключение поляризации в сегыетоэлектрических тонких пленках 78
3.2 Влияние рентгеновского излучения на переключение поляризации
в тонких пленках 83
3.3 Циклическое переключение тонких пленок в процессе облучения синхротронным рентгеновским излучением 87
3.4 Влияние облучения электронами на переключение поляризации в тонких пленках 89
3.5 Влияние облучения нейтронами на переключение поляризации в тонких пленках 91
3.6 Краткие выводы 95
ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНО-ДОМЕННЫХ СТРУКТУР
В НИОБАТЕ ЛИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
4.1 Поверхностные структуры, индуцированные интенсивным лазерным излучением 97
4.2 Формирование поверхностных нанодоменных структур с помощью
ультрафиолетового импульсного лазерного излучения 99
4.2Л Основные типы поверхностных доменных структур 99
4.2.2 Изолированные домены 100
4.2.3 Доменная структура, состоящая из «доменных лучей» 103
4.3 Исследование поверхностной доменной структуры с помощью СЗМ 108
4.4 Компьютерное моделирование 110
4.5 Влияние импульсного инфракрасного лазерного излучения на формирование поверхностных нанодоменных структур 114
4.5.1 Формирование самоподобиых структур при однородном облучении 114
4.5.2 Воздействие инфракрасного излучения через неоднородное пленочное покрытие 118
4.6 Механизм образования поверхностных доменных структур 120
4.7 Краткие выводы 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 126
БЛАГОДАРНОСТИ 129
БИБЛИОГРАФИЯ 130
- Взаимодействие проникающей радиации с кристаллическим веществом
- Конгруэнтные и легированные монокристаллы ниобата лития
- Циклическое переключение поляризации в сегыетоэлектрических тонких пленках
- Поверхностные структуры, индуцированные интенсивным лазерным излучением
Введение к работе
В настоящее время ведутся широкие исследования возможностей практического применения сегнетоэлектриков в различных областях техники, так как они обладают рядом уникальных свойств. Интерес к этим материалам сильно возрос в последнее время, благодаря развитию доменной инженерии, которая занимается разработкой методов создания в сегнетоэлектрических кристаллах доменных структур со строго заданной конфигурацией для применения в различных устройствах. Одной из наиболее важных задач доменной инженерии является создание фотонных кристаллов - нелинейно-оптических материалов с регулярной доменной структурой для построения эффективных преобразователей частоты когерентного излучения. Ниобат лития является хорошим модельным объектом для такого рода исследований, поскольку он относится к классу одноосных сегнетоэлектриков и обладает сравнительно простой доменной структурой, которая может быть легко визуализирована оптическими методами.
Для создания микронных доменных структур используются такие методы как аутдиффузия оксида лития (Li20), протонный обмен, диффузия титана (Ті) и воздействие электронным пучком. Тем не менее, до настоящего момента, использование электрического поля остается наиболее предпочтительным и надежным методом в доменной инженерии, который позволяет создавать объемные периодические структуры с микронными периодами. Однако некоторые приложения фотонных кристаллов требуют наличия доменных структур с субмикронными периодами. Поэтому, исследование формирования таких объектов, как нанодомены, и умение управлять нанодоменными структурами имеют важное фундаментальное значение.
Также, на протяжении полувека, предпринимаются попытки использовать сегнетоэлектрические материалы для создания конкурентоспособных запоминающих устройств (FeRAM), основанных на существовании в сегнетоэлектриках двух устойчивых состояний поляризации, переключаемых электрическим полем. Предполагается, что сегнетоэлектрические запоминающие устройства по ряду параметров превзойдут аналогичные устройства на ферритах. Записывать информацию можно электрическим полем, механическим напряжением и поглощаемым излучением, а считывать, используя эффект поля, переключение поляризации, пиро- и пьезоэффекты или оптическое считывание. Для специальных применений важна присущая сегнетоэлектрикам значительная радиационная стойкость.
Актуальность работы обусловлена необходимостью детального исследования воздействия излучения на доменную структуру и переключение поляризации в сегнетоэлектриках. Особенно важными с этой точки зрения являются исследования особенностей формирования нанодоменных структур под действием импульсного лазерного излучения. Вместе с тем, исследование влияния проникающего излучения на переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках является важной проблемой для применения в космических и оборонных отраслях промышленности.
Целью работы является исследование влияния проникающей радиации на переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках цирконата-титаната свинца, а таюке формирования нано-доменной структуры в монокристаллах ниобата лития в результате воздействия импульсного лазерного излучения.
Объекты исследования. Влияние проникающей радиации на переключение поляризации изучалось в тонких пленках цирконата-титаната свинца PbZrxTi|.x03 (ЦТС). Выбор материала обусловлен его применением при создании энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств, которые используются, в частности, для решения космических и оборотшых задач.
Исследования кинетики домеш-гой структуры в результате воздействия импульсного лазерного излучения проводились в монокристаллах конгруэнтного и легированного MgO ниобата лития LiNbCV Эти материалы наиболее популярны для нелинейно-оптических и акустических применений. Развитие методов создания стабильных регулярных доменных структур с микронными и субмикронными периодами исключительно важно для создания устройств преобразования длины волны лазерного излучения с использованием эффекта квазифазового синхронизма [56]. Получение субмикрониых периодов является принципиальным достижением, которое откроет качественно новые возможности при создании фотонных кристаллов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Показано, что форма тока переключения наиболее чувствительна к воздействию проникающей радиации и существенно зависит от исходного состояния доменной структуры.
Установлено, что облучение при циклическом переключении тонких пленок приводит к значительному ускорению процесса усталости -уменьшению величины переключаемого заряда.
Показано, что самоорганизация поверхностных нано-доменных структур, образующихся в монокристаллах ниобата лития при воздействии импульсного лазерного излучения, обусловлена эффектом коррелированного зародышеобразования.
Обнаружена аномальная эволюция доменной структуры в сильпоиеравновесных условиях: рост доменных лучей вдоль выделенных кристаллографических направлений с дискретными поворотами, вызванными их взаимодействием.
Продемонстрировано создание поверхностных периодических нано-доменных структур с помощью импульсного инфракрасного лазерного излучения.
Практическая ценность. Результаты исследований влияния проникающего излучения на свойства тонких пленок могуг быть использованы для улучшения характеристик элементов энергонезависимой памяти, используемых в условиях воздействия проникающей радиации.
Развитый способ получения субмикронной периодической доменной структуры в ниобате лития с помощью импульсного лазерного излучения расширяет возможности применения этого материала для создания устройств акустоэлектроники и нелинейной оптики.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Высокая чувствительность формы тока переключения в тонких пленках ЦТС к воздействию радиационного излучения, и существенная зависимость результата облучения от исходного состояния доменной структуры.
Существенное ускорение процесса усталости, вызванное воздействием проникающей радиации при циклическом переключении.
Формирование самоорганизованных поверхностных нано-доменных структур при облучении поверхности монокристаллов ниобата лития импульсным лазерным излучением.
Выявленные правила формирования нано-домспных структур за счет ориентированного роста и взаимодействия нано-доменных лучей в результате действия импульсного лазерного излучения.
Предложенный механизм образования поверхностных нано-доменных структур под действием пироэлектрического поля, возникающего при охлаждении поверхностного слоя после завершения импульса излучения.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на 23 российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе International Joint Conference on the Applications of Ferroelectrics (2002, Nara, Japan), 7th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricily (2002, St,-Petersburg), XVI конференции по физике сегнетоэлектриков (2002, Тверь), 7th International Symposium on Ferroic Domains and Mesoscopic Structures (2002, Giens, France), Scanning Probe Microscopy International Workshops (2003, 2004, Nizhny Novgorod), 10th European Meeting on Ferrocleclricity (2003, Cambridge, U.K.), Materials Research Society Fall Meetings (2002, 2003, Boston, USA), 16th International Symposium on Integrated Ferroelectrics (2004, Gyeongju, Korea), Sth International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (2004, Tsukuba, Japan), International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (2004, Lccce, Italy), 5-ой Международной конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (2004, Воронеж), Nanophysics and Nanoelectronics International Symposium (2005, Nizhny Novgorod), 17th International Symposium on Integrated Ferroelectncs (2005, Shanghai, China), XVII Всероссийская конференция no физике сегнетоэлектриков (2005, Пенза), 11th International Meeting on Fcrroelectrichy (2005, Foz do Iguacu-Puerto Iguazu, Brazil-Argentina), International Symposium "Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics" (2005, Ekaterinburg), X International Symposium "Nanophysics and Nanoelectronics" (2006, Nizhny Novgorod), The 8th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity, (2006, Tsukuba, Japan), The 9th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (2006, Dresden, Germany), 8th European Conference on Applications of Polar Dielectrics (2006, Metz, France), 5th International Seminar on Ferroelastic Physics (2006, Voronezh).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 45 печатных работах, из них 6 статей во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях. Диссертационная работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела онтоэлектроники и полупроводниковой техники І-ШИ ФПМ Уральского государственного университета им, A.M. Горького в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке грантов РФФИ (04-02-16770), РФФИ-ГФЕН (03-02-39004), РФФИ-ННИО (04-02-04007), РФФИ-НЦНИ (05-02-19468), Министерства образования и науки РФ (48859, 49130 и РНП 2.1.1.8272 программы «Развитие научного потенциала высшей школы»), CRDF FSTM (R.UE1-5037-EK-04), CRDF BRHE (EK-005-XI).
Все 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 и Е.Л. Румянцевым. Эксперименты по циклическому переключению топких сегнетоэлектрических пленок и облучению монокристаллов ниобата лития проводились автором лично. Экспериментальная установка для циклического переключения в тонких пленках была создана совместно с И.С. Батуриным. Облучение импульсным лазерным излучением проводилось автором лично в лаборатории квантовой электроники института электрофизики УрО РАН. Анализ оптических изображений с поверхностными наио-доменными структурами проводился совместно с А.И. Лобовым. Исследование поверхностных доменных структур в ниобате лития с помощью сканирующей зондовой микроскопии проводилось совместно с Е.И. Шишкиным и Е.В. Николаевой,
Взаимодействие проникающей радиации с кристаллическим веществом
Благодаря отсутствию электрического заряда нейтроны легко проникают в вещество на большие расстояния. Основные виды взаимодействия - упругие столкновения с ядрами, в результате которых этим ядрам передается кинетическая энергия по закону столішовения твердых шаров, и ядерные реакции, продукты которых вызывают ионизацию среды и упругие смещения атомов.
Быстрые нейтроны (с энергией 0.1 МэВ) образуют дефекты структуры, передавая часть своей кинетической энергии атомным ядрам [11.15]. Атом, получивший достаточно сильный удар, может начать колебаться с очень большой амплитудой вокруг своего положения равновесия, а затем передать эту энергию соседним атомам, которые, в свою очередь, могут передать ее дальше. Состояние вещества при такой передаче энергии можно представить как мгновенный нагрев ограниченной области решетки до довольно высокой температуры. Теоретически такое состояние решетки впервые было рассмотрено Зейтцем и Келлером [152] на основе простых микроскопических законов теплопроводности. Согласно их теории, энергия, передаваемая атому решетки бомбардирующей частицей, освобождается в виде тепловой энергии в небольшом объеме непрерывной среды, а затем распространяется по законам теплопроводности («температурный клин»). Образование температурного клина сопровождается расширением вещества в нем, что, в свою очередь, должно приводить к возникновению напряжений вокруг клина и образованию дислокаций. Важным следствием образования клиньев любого типа является тот факт, что они приводят к возникновению различного рода сложных дефектов, таких, как разупорядоченные области с большой концентрацией вакансий или междоузельных атомов и дислокаций.
На примере облучения германия и кремния моноэнергетическими нейтронами с энергией 14МэВ [62-64] было показано, что области разупорядочения состоят из центрального кратера (-500 А) и окружающей области (-2000 А) (рис. 2). Область, окружающая центральный кратер представляет собой слой пространственного заряда вокруг разупорядоченной области (кратера) [22]. При проведении высокотемпературного отжига наблюдалось резкое уменьшение количества и размеров областей, а также полное исчезновение кратера. Вместе с тем концентрация разупорядоченных областей определяется лишь полным интегральным потоком излучения.
Конгруэнтные и легированные монокристаллы ниобата лития
Создание поверхностных панодоменных структур с помощью импульсного лазерного излучения проводилось в монокристаллах конгруэнтного и легированного MgO ниобата лития.
Исследуемые пластины конгруэнтного ниобата лития (CLN) были изготовлены фирмой Crystal Technology, СА, USA. Монокристаллы выращивались по методу Чохральского вытягиванием в направлении полярной оси. Молярная доля лития в растворе составляла 48.5%. Пластины диаметром 75 мм и толщиной 0.5 мм вырезались перпендикулярно полярной оси Z.
Пластины ниобата лития, легированного магнием (MgO:LN) были также изготовлены фирмами Crystal Technology, СА, USA и Yamaju Ceramics, Japan. При выращивании монокристаллов по методу Чохральского вытягиванием в направлении полярной оси в расплав добавлялось 5% MgO. Исследовались пластины толщиной 0.5 и 1 мм, вырезанные перпендикулярно полярной оси Z.
Тонкие пленки титаната-цирконата свинца
В работе проводились исследования по влиянию проникающей радиации на переключение поляризации в тонких пленках цирконата-титаната свинца (ЦТС). Тонкие пленки PbZr4Ti_x03 (х = 0.45, 0.53) толщиной от 100 нм до 1 мкм были изготовлены методом золь-гель (см. 1.10). Пленки наносились на стандартные подложки, представляющие собой пластины монокристаллического кремния Si, со слоем Si02 (400 им), буферным слоем Ті (10 нм) для улучшения адгезии и нижними платиновыми электродами Pt толщиной 110-120 нм (рис. 32).
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА
Циклическое переключение поляризации в сегыетоэлектрических тонких пленках
Характерное для длительного циклического переключения поведение переключаемого заряда представлено на рисунке 42. Поведение переключаемого заряда демонстрирует ярко выраженные стадии формовки (увеличение заряда) и усталости (уменьшение заряда), предсказанные в работах [144,145].
Известно, что благодаря наличию тонкого неполярного поверхностного слоя между сегнетоэлектриком и электродом в объеме после завершения внешнего экранирования существует остаточное деполяризующее поле. Объемное экранирование этого поля приводит к возникновению внутреннего поля смещения Еь [45]. Для монодоменного образца наличие внутреннего поля обусловливает униполярность процесса переключения, что проявляется в сдвиге петли диэлектрического гистерезиса (рис, 43а) при достаточно быстром (по сравнению с объемным экранированием) циклическом переключении в знакопеременном поле. Циклическое переключение в симметричных знакопеременных импульсах, когда все области образца пребывают одинаковое время в состояниях с разным направлением поляризации [49], способствует уменьшению объемного экранирования и, как следствие, приводит к уменьшению внутреннего поля смещения (рис.436), которое обусловлено модификацией доменной структуры образца при циклическом переключении [136].
class4 ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНО-ДОМЕННЫХ СТРУКТУР
В НИОБАТЕ ЛИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ class4
Поверхностные структуры, индуцированные интенсивным лазерным излучением
Экспериментально обнаружено (см. 1.6), что при самопроизвольном обратном переключении (после выключения поля) в монокристаллах ниобата лития формируются самоорганизованные квазипериодические структуры, состоящие из изолированных иано-доменных цепей, ориентированных в Y направлениях. Для объяснения этого явления было сделано предположение, что аномальное "дискретное" переключение обусловлено запаздыванием объемного экранирования при распаде сильно неравновесного доменного состояния.
Другой экспериментальный факт (см. 1.6) заключается в том, что процессы объемного экранирования деполяризующего поля существенно влияют на форму изолированных доменов при переключении поляризации, которая определяется отношением скорости генерации ступени к скорости ее роста. В равновесных условиях, когда деполяризующее поле успевает полностью заэкранироваться, наблюдается рост доменов в виде равносторонних шестиугольников. Создание условий, при которых происходит запаздывание экранирования деполяризующего поля, приводит к искажению формы изолированных доменов. Компьютерное моделирование показало, что при полностью неэффективном экранировании должны получаться домены в виде трех лучей, растущих вдоль выделенных кристаллографических направлений [76].
Представляет значительный интерес изучение кинетики доменной структуры при переключении в сильно неравновесных условиях при полностью неэффективном экранировании деполяризующих полей. Для этого предлагается использовать воздействие импульсов лазерного излучения высокой интенсивности.
Похожие диссертации на Влияние облучения на доменную структуру и переключение поляризации в сегнетоэлектриках
