Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Атомно-силовая микроскопия как метод исследования морфологии поверхности кристаллов с высоким пространственным разрешением (Литературный обзор) 8
Принцип действия и основные режимы работы атомно-силового микроскопа 8
Контактный режим АСМ 11
Неконтактный режим АСМ 13
Прерывисто-контактный реэюгт АСМ 14
Режим боковых сил 15
Режим фазового контраста 16
Сканер сканирующего зондового микроскопа 17
Искажения (артефакты) асм-изображений и методы их компенсации 19
Методики снижения величины искажений 29
Исследование доменной структуры и микрорельефа поверхности сегнетоэлектрических кристаллов методом атомно-силовой микроскопии 33
Глава 2. Методики подготовка образцов и исследования слоистых кристаллов с помощью атомно-силового микроскопа 39
Подготовка образцов 39
Методики исследования 41
Кантилеверы, их свойства и выбор 43
Форма острия и разрешение 46
Обработка изображений 49
Глава 3. АСМ исследование поверхности естественного скола ссгнстоэлектрнческнх кристаллов ТГС 51
Особенности строения полярной поверхности скола (010) кристалла ТГС 51
Тонкая структура поверхности кристаллов без специально введенных примесей 51
Тонкая структура поверхности дефектных кристаллов ТГС 58
Исследование влияния внешних воздействий на поверхность кристаллов триглицинсульфата методом атомно-силовой микроскопии 65
Особенности модификации поверхности сегпетоэлектрического кристалла под воздействием зондирующего острия 65
Влияние нагрева на тонкие детали ступенчатой структуры поверхности 73
Влияние влажности на стабильность поверхности 77
Глава 4. Исследование доменной структуры в кристаллах ТГС в статике и динамике 80
Контактный режим 80
Прерывисто-контактный режим 85
Движение доменных стенок при нагреве 96
Движение доменных стенок под воздействием электрического поля 99
Глава 5. Использование поверхности скола кристалла ТГС в качестве эталонной структуры 102
От сверхтонких деталей рельефа кристаллов тгс к эталонной структуре 102
Поиск естественных эталонов среди кристаллов, обладающих спайностью: бифталаты цезия и аммония 105
Выводы ПО
Благодарности 112
Литература
- Искажения (артефакты) асм-изображений и методы их компенсации
- Кантилеверы, их свойства и выбор
- Тонкая структура поверхности дефектных кристаллов ТГС
- Движение доменных стенок при нагреве
Введение к работе
Развитие работ в области создания новых наноматериалов и на-нотехнологий тесно связано с разработкой адекватных методов исследования и контроля характеристик материалов и приборов в наномет-ровом масштабе. Наиболее перспективным для этих целей представляется метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), в котором достигается атомарное разрешение. Этот метод открыл принципиально новые возможности в исследовании структуры и локальных физических свойств поверхности. При всем многообразии возможностей, которые дает метод атомно-силовой микроскопии, в процессе исследования поверхности различных материалов и при интерпретации полученных результатов возникает ряд сложностей. Часть из них вызвана артефактами (искажениями изображения исследуемого объекта, обусловленными конструктивными особенностями прибора и ограничениями режима работы), а часть - наложением на изображение микрорельефа поверхности дополнительной картины, связанной с физическими особенностями объекта. Последнее как раз имеет место при исследовании поверхности сегнетоэлектриков.
Исследования физических свойств, структуры и морфологии поверхности сегнетоэлектриков приобрели в последние годы большую актуальность в связи с возможностью их применения в различных областях техник». Сегнетоэлектрические пленки (двумерные наноструктуры) вызывают большой интерес у конструкторов СВЧ устройств для наноэлектроники, таких как устройства энергонезависимой памяти, динамической памяти с произвольной выборкой, приемники инфракрасного излучения, оптические процессоры, волноводы, разнообразные акустооптические устройства, изменяющие заданным образом спектральный состав, амплитуду и направление распространения светового сигнала.
Интерес к исследованию поверхности сегнетоэлектрических кристаллов обусловлен важной ролью, которую играет поверхность в сегнетоэлектрических явлениях. Поверхностные слои в зависимости от способа получения и обработки, наряду с дефектами, содержащимися в объеме кристалла, оказывают значительное влияние на диэлектрические параметры сегнетоэлектриков, а, следовательно, и на устройства из них. Таким образом, возникает потребность в развитии методики АСМ исследования топографии поверхности и доменной структуры сегнетоэлектриков и в повышении достоверности результатов исследования, что представляет собой большой интерес для современной физики поверхности и учения о сегнетоэлектричестве.
Цели диссертационной работы:
1) получение данных о морфологии поверхности и доменной структуре триглицинсульфата (ТГС) различными методами АСМ;
2) выявление природы формирования тонкой структуры на поверхности скола ТГС;
3) четкое разделение контраста от доменной структуры и особенностей микрорельефа поверхности ТГС;
4) развитие методик АСМ для наиболее информативного исследования микрорельефа поверхности и доменной структуры сегнетоэлектриков;
5) развитие АСМ методик, направленное на повышение достоверности результатов измерений (снижение величины ряда искажений, обусловленных конструктивными особенностями атомно-силового микроскопа).
Научная новизна работы
1. Впервые выявлены различия морфологии поверхности состаренных и отожженных кристаллов ТГС. Проведено сопоставление морфологии поверхности дефектных кристаллов ТГС (ТГС с хромоїм) с морфологией поверхности «чистых» кристаллов. Изучено влияние внешних воздействий (ударное воздействие, нагрев) на морфологию поверхности кристалла ТГС.
2. На основе полученных данных впервые показано, что тонкая структура поверхности скола кристалла ТГС тесно связана с его сег-нетоэлектрической природой, степенью дефектности и характером вхождения примеси в кристаллическую решетку и является устойчивым микрорельефом, образующимся под действием декомпенсирую-щих полей в момент раскола сегнетоэлектрического кристалла.
3. Изучена доменная структура ТГС и проведено сопоставление результатов, полученных в различных режимах АСМ. Впервые обнаружено, что на АСМ-изображениях встречаются линзовидные образования, отображающиеся на АСМ-изображениях двояко. Изучено влияние нагрева и внешнего электрического поля на линзовидные образования обоих типов.
4. По результатам эксперимента впервые установлено, что линзовидные образования одного типа отражают реальную доменную структуру, а образования другого типа представляют собой лишь элементы микрорельефа поверхности.
Практическая значимость работы
1. На основе полученных данных разработаны рекомендации, позволяющие исследовать морфологию поверхности и доменную структуру сегнетоэлектриков без их модификации и четко отделять на АСМ-изображениях реальную доменную структуру от сходного по морфологии микрорельефа поверхности.
2. Предложено использовать поверхность скола кристалла ТГС в качестве тестовой структуры для калибровки пьезоэлектрического сканера АСМ по координате Z в диапазоне высот (0.1-2 нм). Показана высокая воспроизводимость основного параметра тестовой структуры и ее устойчивость к различным внешним воздействиям.
Апробация результатов
Результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях:
• Всероссийское совещание «Зондовая микроскопия-2000» (Нижний Новгород, 2000 г);
• Российская конференция по электронной микроскопии, 2000, (Черноголовка), Россия;
• Национальная конференция по росту кристаллов, 2000, (Москва), Россия;
• Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, 2001, (Черноголовка), Россия;
• RCBJSF Symposium on ferroelectricity, 2002, Portugal;
• 7th International Symposium on Ferroic Domains and Mesoscopic Structures, 2002, (Giens), France;
• Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков, сентябрь, 2002, (Тверь), Россия;
• Международная научная конференция "Кристаллизация в нано-системах", 2002, (Иваново), Россия;
• International Workshop "Scanning Probe Microscopy - 2003", 2003, (Nizhniy Novgorod), Russia;
• Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии н аналитическим методам исследования твердых тел, 2003, (Черноголовка), Россия;
• Российская конференция по электронной микроскопии, 2004, (Черноголовка), Россия;
• XVII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков, сентябрь, 2005, (Пенза), Россия.
Публикации
Результаты работы представлены в статьях в российских и зарубежных журналах, в авторских свидетельствах и тезисах докладов на научных конференциях. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Искажения (артефакты) асм-изображений и методы их компенсации
Одним из важнейших элементов АСМ является пьезоэлектрический сканер, который представляет собой систему позиционирования, позволяющую перемещать образец относительно зонда (или зонд относительно образца) в плоскости XY и вдоль перпендикулярной ей оси Z. В силу различных свойств пьезоэлектрических материалов и из-за особенностей конструкции сканер не является идеальной системой, что приводит к окрашиванию АСМ-изображения рядом искажений (артефактов).
Основой при производстве сканеров служат поликристаллические пьезоэлектрические материалы (пьезокерамика), что с одной стороны обеспечивает высокую жесткость конструкции, а с другой - позволяет добиться перемещения на очень малые расстояния вплоть до долей ангстрем.
На настоящий день разработаны несколько типов конструкции пьезоэлектрических сканеров, но наиболее широкое применение нашла конструкция на основе двух вставленных одна в другую полых пьезоэлектрических трубок разного диаметра (рис. 1.6 а, в) [2 - 6, 15 -16]. Один из концов внешней трубки жестко крепится через фланец на головке микроскопа (рис. 1.6 в). К свободному концу внешней трубки также через фланец крепится один из концов трубки меньшего диаметра, а на ее свободном конце устанавливается держатель образца или зонда (рис. 1.6 в). Внутренняя трубка служит приводом для перемещения вдоль осей X и Y. На ее внешнюю и внутреннюю поверхность нанесены четыре электрода, представляющие собою четыре равных вертикальных сегмента: +Х, -X, +Y, -У (рис. 1.6 б).
Соответственно при приложении управляющего напряжения к +Хп -X электродам происходит растяжение одного и сжатие противоположного сегмента трубки, что в свою очередь приводит к отклонению сканера в Л!" направлении. Аналогично осуществляется перемещение вдоль оси Y. Внешняя трубка сканера представляет собой привод для перемещения вдоль оси Z. На ее внешнюю и внутреннюю поверхности также нанесены управляющие электроды, но в отличие от электродов X, Y трубки, они являются сплошными. В зависимости от полярности приложенного напряжения происходит сжатие или растяжение внешней трубки вдоль оси Z.
Максимальный размер области сканирования в плоскости XY определяется длиной и диаметром трубок сканера, толщиной стенок трубок и пьезомодулями конкретной пьезоэлектрической керамики, из которой сделан сканер. В современных сканирующих зондовых микроскопах используются сканеры, максимальная область сканирования которых составляет десятки и даже сотни микрометров, а минимальная имеет размер порядка десяти ангстрем. То же самое касается разброса высот в вертикальном направлении. Максимальный перепад высот, который способен охватить пьезоэлектрический сканер, также определяется его конструкционными и технологическими характеристиками и на данный момент колеблется для различных приборов от единиц до десятков микрометров, причем минимальное значение высоты, которое он может разрешить, составляет десятые доли нанометра.
Искажения (артефакты) АСМ-изображеиий и методы их компенсации
Под артефактами понимаются искажения, вносимые в изображение поверхности исследуемого образца самим измерительным прибором. Как и в любой сложной измерительной системе, возникновение артефактов в ЛСМ имеет различное происхождение. Производителями и пользователями АСМ накоплен большой опыт по выявлению и устранению большинства известных артефактов.
Одним из основных источников искажений в АСМ является пьезоэлектрический сканер. Это обусловлено особенностями конструкции сканера и различными свойствами пьезоэлектрического материала, из которого он изготавливается. К группе артефактов пьезоэлектрического сканера относятся: 1) перекрестные помехи, 2) собственная нелинейность сканера, 3) запаздывание, 4) крип, 5) старение сканера [2-5, 15-24,27].
Перекрестные помехи
Идеализированно работу пьезоэлектрического сканера можно представить следующим образом: при приложении напряжения к X (У) и -X (-У) электродам внутренней трубки сканера происходит его отклонение вдоль направления X (У) (рис. 1.7 а); а приложение напряжения к электродам внешней трубки приводит к удлинению или сжатию сканера в Z направлении (рис. 1.7 в). Однако реальное перемещение сканера сильно отличается от идеальной модели. Так, при подаче управляющего напряжения на X (У) электроды внутренней трубки сканер отклоняется не только в X (У) направлении, но и вдоль оси У (X) и оси Z (рис. 1.7 б). В свою очередь приложение напряжения к электродам внешней трубки влечет за собой перемещение его свободного конца как вдоль оси Z, так и в плоскости XY (рис. 1.7 г).
Такие паразитные деформации пьезоэлектрического сканера, которые сопутствуют перемещению его свободного конца вдоль основных направлений, называются перекрестными помехами [4, 27]. Причины возникновения перекрестных помех могут иметь различную природу. Она может быть связана с: 1) конструктивными особенностями сканеров; 2) несоблюдением точной геометрии трубок при их изготовлении (несоосность осей внешней и внутренней трубок, нерав номерность толщины стенок трубок); 3) локальными нарушениями поляризации из-за неоднородности пьезоэлектрических свойств керамики; 4) дефектностью электродов трубок; 5) негативными последствиями термического удара (пайка электродов).
Кантилеверы, их свойства и выбор
Исследование кристаллов проводилось на воздухе в контактном н прерывисто-контактном режимах с помощью сканирующих зондо-вых микроскопов Solver Р4 и Solver Р47 (NT-MDT). Микроскоп Solver Р4 имеет максимальную область сканирования размером 3x3 мкм, Solver Р47 - 50x50 мкм. В контактном режиме использовались режим постоянной силы (топография) и режим боковых сил. В прерывисто-контактном режиме получили изображения в режиме измерения топографии и в режиме фазового контраста.
Для получения статистических данных о микрорельефе отожженных кристаллов, состаренных и кристаллов со специально введенной примесью исследованию подвергались пять различных сколов для каждого типа образцов, соответственно. Измерения проводились в пяти точках поверхности каждого скола, при этом в каждой точке получали изображения следующих размеров: 50x50 мкм, 15x15 мкм, 6.5x6.5 мкм, 3x3 мкм, 1.2x1.2 мкм.
Изучение воздействия температуры на поверхность образцов проводилось в прерывисто-контактном режиме сканирования при помощи температурного столика (НТ-МДТ), обеспечивающего нагрев до 150 С с шагом в 0.1 С. Образец размещался на поликоровой подложке, которая крепилась к столику специальными зажимами. Температура изменялась в пределах от 20 до 80 С с шагом 10 С, а в ряде случаев 5 С. Подвод острия каптилевера к поверхности образца осуществлялся по прошествии 3-5 минут после изменения температуры столика. Такой временной интервал обусловлен тем, что при изменении температуры происходит резкое изменение амплитуды свободных колебаний каптилевера, и ее относительная стабилизация наступает по истечении этого периода времени. Исследование проводилось в одних и тех же точка поверхности образца.
Изучение влияния влажности на поверхность образцов проводилось следующим образом. Образец размещался в закрытой чашке Петри рядом с каплей дистиллированной воды, что соответствует 100 % влажности. После выдержки образца в эксикаторе его поверхность исследовалась в прерывисто-контактном режиме. Затем образец снова подвергался воздействию влажности более продолжительный промежуток времени. Время выдержки в эксикаторе составляло 10, 20, 30 и 90 минут, соответственно.
Для изучения воздействия внешнего электрического поля кристалл ТГС (2) закреплялся на подложке (4) при помощи проводящего скотча (3), который далее являлся одним из электродов. Второй электрод представлял собой узкую полоску из проводящего скотча (1), которая крепилась на противоположной поверхности (рис. 2.3). Один из электродов заземлялся, а на второй подавалось напряжение постоянного тока в диапазоне от -10 до +10 В с шагом 2 В.
Исследование поверхности осуществлялось в прерывисто-контактном режиме в точке, расположенной на расстоянии нескольких сотен микрометров от края электрода. При толщине образца 1 - 2 мм, прикладываемое к нему поле превышало коэрцитивное в несколько раз, что гарантировало переход кристалла в монодоменное состояние.
Кантилеверы, их свойства и выбор Кантилевер представляет собой чип длиной 3-4 мм, шириной 1.6±0.1 мм, толщиной 0.3 - 0.4 мм. На коротком конце чипа располагаются балки консольного типа с остриями на свободных концах. Форма балок каптплевера может быть прямоугольной (рис. 2.4) [36] и треугольной (V- образной) (рис. 2.5) [36]. В данной работе использовались кантилеверы с прямоугольной и с треугольной балкой.
При передаче колебаний пьезоэлектрического элемента z=a-cos( v) на кантилевер вдоль оси, перпендикулярной наибольшей плоскости чипа, деформация и(х, t) балки каптплевера может быть найдена из уравнения: М—+Н-—+k-(u-a-cos(co))=0 , (2.1) dt1 dt где М- эффективная масса (включает в себя массу балки и массу иглы кантилевера); / - время; д: - ось, параллельная длинной стороне чипа и проходящая через его середину; к - жесткость балки; Н - коэффициент затухания для данной среды; cow а- частота и амплитуда колебаний пьезоэлектрического элемента, соответственно.
Тогда, если амплитуда колебаний в месте крепления балки к чипу равна а, то в соответствии с (2.1) амплитуда колебаний ее свободного конца будет равна: где первая резонансная частота балки со0 и добротность колебаний балки 2 равны, соответственно:
Для каптилевера прямоугольной формы (рис. 2.3) связь жесткости и резонансной частоты балки с ее геометрическими параметрами определяется выражениями: где / - длина, iv - ширина, h - толщина балки каптилевера, Е - модуль упругости, р - плотность материала балки, а - коэффициент, который зависит от конкретной геометрии балки.
Использование данных зависимостей (при известных параметрах конкретного каптилевера) и данных АСМ спектроскопии позволило определить величину силового взаимодействия или значение амплитуды колебаний, при которых производилось исследование поверхности образца.
Выбор кантилеверов осуществлялся с учетом механических свойств образца и режима сканирования. Практика исследований кристаллов ТГС и бифталатов показала, что для контактного режима наилучшим образом подходят кантилеверы с небольшим значением жесткости, поскольку это позволяет предотвратить разрушение образца при сканировании поверхности. В прерывисто-контактном режиме наилучших результатов можно добиться, применяя кантилеверы с большими значениями жесткости и добротности. Это особенно важно, поскольку на поверхности скола слоистых кристаллов могут быть сверхтонкие детали микрорельефа (ступени скола, дефекты) высотой в один или несколько параметров кристаллической решетки.
Тонкая структура поверхности дефектных кристаллов ТГС
Усложнение микрорельефа поверхности скола у состаренных кристаллов может быть вызвано неравномерным распределением примеси, которая оказывает влияние на распределение электрических полей и полей напряжений в кристалле и, благодаря этому сказывается на процессах формирования поверхности при расколе кристалла. Предпочтительные места образования островков и ямок на поверхности в самый начальный момент раскола могут быть связаны с точечными дефектами и их скоплениями.
Для проверки предположения о роли примесей в образовании неоднородностей микрорельефа на атомарно гладкой поверхности скола кристаллов было проведено исследование кристаллов ТГС с примесью хрома, который является примесью внедрения, и хорошо отожженных кристаллов без специально введенной примеси. Для по лучения статистических данных было проведено исследование пяти различных сколов для каждого типа кристаллов. Каждый скол исследовался в пяти точках его поверхности. Подробности обработки результатов см. в главе 2.
Анализ изображений поверхности кристаллов ТГС с примесью хрома показал, что здесь, также как и в кристаллах без специально введенной примеси, выявляются формируемые в момент раскола кристалла неоднородности микрорельефа в виде округлых островков и ямок.
На рис. 3.6 приведены топографические изображения (прерывисто-контактный режим) различных участков поверхности кристалла и профили сечения этих изображений. Одновременное присутствие островков и ямок, а также протяженных террас с ямками позволяет говорить об усложнении микрорельефа как в самой плоскости скола, так и в нормальном ей направлении (рис.3.6 а, в).
На изображении поверхности другого скола видны протяженные двумерные образования, латеральные размеров которых колеблются в пределах 700±500 нм, иногда достигая 3000 - 4000 нм (рис. 3.6 в, д), что на порядок или два превышает размеры островков в кристаллах без специально введенной примеси (после отжига). Таким образом, помимо усложнения микрорельефа в кристаллах с примесью хрома, имеет место увеличение латеральных размеров двумерных образований.
Анализ профилей сечений изображений поверхности (рис. 3.6 б, г, е) и графиков распределения высот показал, что среднее значение высоты (глубины) островков, террас и ямок изменяется в пределах 0.65±0.08 нм. Результаты, полученные из анализа профилей сечений изображения, дают основание полагать, что, примесь внедрения приводит не только к усложнению микрорельефа, но и вызывает измене ния параметров решетки в месте скоплений дефектов - соответственно, в высоте (глубине) поверхностных образований.
Чтобы исключить погрешность измерения высоты, была проведена калибровка сканера. В качестве тестовой структуры выступала поверхность скола отожженного кристалла ТГС без специально введенной примеси.
Были получены изображения поверхности сколов ТГС с примесью хрома, на которых в подавляющем большинстве присутствовали образования больших латеральных размеров высотой (глубиной) 0.6
По результатам исследования кристаллов с примесью и «чистых» кристаллов (после отжига) были рассчитаны эффективные диаметры двухмерных образований и доля площади занимаемой ими в общей площади изображений (подробности обработки см. в главе 2). Расчет проводился для пяти точек каждого из сколов. Для кристаллов с примесью хрома вычисления проводились по изображениям с размерами 15.6x15.6 мкм и 6.7x6.7 мкм. Для «чистых» отожженных кристаллов анализировались изображения с размерами 6.7x6.7 мкм и З.ОхЗ.О мкм. Выбор таких размеров обусловлен следующими причинами. В кристаллах с примесью латеральные размеры островков и ямок могут достигать несколько микрометров, поэтому для получения более точных статистических данных расчет производился для возможно больших размеров изображений (15.6x15.6 мкм). Для «чистых» кристаллов размер 6.7x6.7 мкм - наибольший, для которого можно производить расчеты из-за малых латеральных размеров островков и ямок. На изображениях поверхности больших размеров элементы микрорельефа практически неотличимы от шумовых всплесков. По результатам расчетов были построены гистограммы распределения эффективных диаметров островков и ямок (рис. 3.8).
Как видно из графиков, приведенных на рисунке 3.8, среднее значение эффективного диаметра островков и ямок для отожженных кристаллов без специально введенной примеси составляет 50 - 60 им, а для кристаллов с примесью хрома - 500 - 700 нм. Максимальное значение эффективного диаметра островков и ямок для отожженных кристаллов без специально введенной примеси не превышает 300 -400 нм, а для кристаллов с примесью хрома достигает 2500 - 3000 нм.
Расчет процентной доли, которую занимает суммарная площадь островков и ямок в общей площади участка поверхности, производился следующим образом. Суммировалась общая площадь всех образований по данным исследования всех сколов по пяти точкам (результаты для разных размеров изображений суммировались отдельно), затем это значение приводилось к суммарной площади всех изображений, подвергнутых обработке, результат выражался в процентах.
Данные обобщались из-за того, что в кристаллах с примесью хрома, а в ряде случаев и в отожженных кристаллах без специально введенной примеси плотность распределения двухмерных образований и площадь, занимаемая ими в общей площади исследуемого участка поверхности, могут сильно меняться как для разных сколов, так и для различных участков на одном сколе.
Например, доля площади островков и ямок в общей площади полученного изображения составила 10 % и 4 % в различных точках одного скола кристалла с примесью хрома. Расчеты показали следующее.
Для отожженных кристаллов без специально введенной примеси доля площади занимаемой двухмерными элементами микрорельефа в общей площади исследуемой поверхности составила: 5.4 % при обработке изображений размером 6.7x6.7 мкм и 5.5 % при обработке изображений размером 3.0x3.0 мкм.
Движение доменных стенок при нагреве
При нагреве образца доменная структура кристалла начинает претерпевать радикальные изменения, и можно наблюдать возникновение, исчезновение и движение доменных стенок (ДС), которые на топографическом изображении проявляются в виде ярких светящихся линии.
На рис.3.13 б показано изображение того же, что и на рис.3.13 а, участка поверхности кристалла, но уже нагретого до 40 С. Видны ямки и доменные стенки. На рис.3.13 в показано изображение того же участка поверхности кристалла, нагретого до 45 С.
Обычно 180 домены на поверхности скола кристаллов ТГС имеют линзовидную форму (отдельные мелкие домены этой формы видны на рис.3.13 в). При повышенной температуре наблюдалось движение и слияние ДС, и на АСМ-изображениях можно видеть появление более сложных доменных конфигураций.
Охлаждение образца до комнатной температуры также сопровождалось движением доменных стенок: на рисунке 3.13 г четко видна граница крупного линзовидного домена. Однако при этом геометрические размеры ямок (в пределах ошибки эксперимента) оставались прежними (рис.3.13 г).
Аналогичные данные были получены при наблюдении в процессе нагрева полярной поверхности с выступами. Так на рис.3.14 а приведено изображение участка поверхности, полученное при нагреве до 60 С. Видны выступы круглой формы, диаметр которых составляет 374,9 им при СКО 92,7 им (выборка из 64 единиц). При дальнейшем повышении температуры до 80 С и выдержке в течение 35 мин при этой температуре и последующем охлаждении геометрические разме ры выступов сохранялись (рис.3.14 б). Пунктиром показаны идентичные участки поверхности.
Многочисленные наблюдения в процессе нагрева различных участков поверхности с одними круглыми выступами или ямками [96, 97], а также со сложным слоистым микрорельефом свидетельствуют о его стабильности. Таким образом, можно сделать заключение, что процессы изменения доменной структуры при нагреве и переход из сегнетофазы в парафазу и обратно не оказывают заметного влияния на сформированный при расколе поверхностный микрорельеф кристаллов ТГС.
Раскол кристалла ТГС, проведенный в вакууме, приводил к образованию схожего, как и при расколе на воздухе, ступенчатого микрорельефа [75]. Существенно другую тонкую структуру поверхности можно получить, проводя раскол кристалла в парафазе [75]. На такой поверхности уже не наблюдается ступенек. Данный эксперимент и результаты, полученные другими авторами, указывают на то, что выступы и ямки на полярной поверхности ТГС, независимо от того произведен ли раскол на воздухе или в вакууме, - это устойчивые воспроизводимые детали микрорельефа атомарно-гладких участков поверх ности, являющиеся отражением энергетически неэквивалентной, слоистой структуры кристалла в сегнетоэлектрическом состоянии.
Влияние влажности на стабильность поверхности
Как показали наши исследования, длительное хранение образцов в эксикаторе при обычных комнатных условиях не приводит к эрозии поверхности. После хранения кристалла в эксикаторе в течение двух месяцев его поверхность оставалась практически неизменной.
Чтобы проверить, как влияет влажность среды на поверхность ТГС в АСМ исследованиях, был выбран состаренный кристалл со ступенчатым микрорельефом, на котором были выступы и впадины самой разной формы (рис.3.15 а). Выдержка этого образца рядом с каплями воды (на расстоянии 1 см) в чашке Петри в течение 70 мин не приводило к радикальным изменениям характера микрорельефа (рис.3.15 б).