Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию методом генерации второй оптической гармоники (ГВГ) сегнетоэлектрических материалов, имеющих потенциальное применение в перспективных устройствах микро- и оптоэлектроники. Особое внимание уделено изучению параметров доменной структуры и особенностей переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках, а также исследованию свойств сегнетоэлектрических наноструктур.
Актуальность работы.
Основные тенденции развития современной микроэлектроники связаны с требованиями увеличения плотности элементов (до Тбит/см2), а также уменьшения поперечного размера активных элементов с целью снижения рабочих напряжений и, соответственно, энергосбережения. В связи с этим в значительной степени ужесточаются требования к качеству используемых сегнетоэлектрических материалов.
Повышение качества материалов и уменьшение размеров отдельных элементов требует создания новых методов контроля их характеристик, так как традиционные методики имеют целый ряд ограничений.
Исследование доменной структуры, определяющей
сегнетоэлектрическую поляризацию, а также принципиальных пределов скорости ее переключения представляет большой интерес как для фундаментальной физики, так и для практических приложений. Увеличение скорости переключения поляризации является основной задачей в использовании сегнетоэлектрических материалов для создания элементов памяти, переключателей и модуляторов, функционирующих в диапазоне частот 1-100 ГГц. При этом сигналы должны нести информацию, то есть являться волновыми пакетами произвольной формы с произвольной скважностью. Поэтому большое внимание уделяется исследованию процессов динамики переключения функциональных параметров в режиме одиночных коротких импульсов.
В связи с постоянно уменьшающимися размерами активных элементов, весьма актуальным является также исследование влияния размерных эффектов на сегнетоэлектрические свойства тонких пленок.
Нанотехнология является на сегодняшний день одной из наиболее интенсивно развивающихся областей науки и техники. Разработка методов изготовления новых типов наноструктур и их диагностика включены в «дорожные карты» развития микроэлектронной промышленности.
Особое место занимают сегнетоэлектрические наноструктуры, идея создания которых путем погружения нанопористой мембраны-матрицы в
прекурсор сегнетоэлектрического материала, возникла лишь несколько лет назад. Подобная матричная методика позволяет создавать наноструктуры (наночастицы) заданной геометрии, соответствующей используемому шаблону-матрице, что представляет интерес не только для практических приложений, но и с фундаментальной точки зрения: появляется возможность проведения систематических исследований влияния размера наночастицы на ее сегнетоэлектрические свойства.
Актуальность представленных исследований заключается в развитии эффективных неразрушающих методик для экспериментального исследования свойств и контроля качества сегнетоэлектрических материалов.
Целью работы является разработка экспериментальных и теоретических основ нелинейно-оптической диагностики сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микро-, нано- и оптоэлектроники.
Согласно этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
I. Разработка методики нелинейно-оптической диагностики доменной структуры сегнетоэлектрических тонких пленок, использующихся для создания элементов высокоскоростных сегнетоэлектрических запоминающих устройств. Определение пределов чувствительности методик при использовании лазерных источников и приемников излучения различных типов.
П. Исследование динамики переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках методом ГВГ.
III. Изучение диагностических возможностей методики ГВГ для исследования свойств сегнетоэлектрических наноструктур.
Научная новизна
В работе предложен ряд оригинальных экспериментальных и теоретических подходов и методик исследования сегнетоэлектрических материалов. В частности:
-
Развита оригинальная методика нелинейно-оптической диагностики субмикронной доменной структуры сегнетоэлектрических пленок, основанная на одновременном исследовании поляризационных зависимостей и индикатрис рассеяния ВГ.
-
На основе теоретического (феноменологического) анализа поля ВГ, генерируемого пленкой сегнетоэлектрика, разработана методика расчета сегнетоэлектрической поляризации, с использованием которой получены локальные петли гистерезиса сегнетоэлектрической поляризации.
-
Разработана методика и проведены исследования квазилинейного режима переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках в диапазоне до 200 МГц.
-
Разработана методика и проведены исследования степени заполнения пор и глубины проникновения сегнетоэлектрического материала в поры мембраны-матрицы пористого оксида алюминия при исследовании поперечного скола наноструктуры с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Практическое значение представленной работы состоит в развитии и изучении диагностических возможностей метода генерации второй оптической гармоники для исследования процессов, происходящих в тонких пленках технологически перспективных сегнетоэлектрических материалов, а также для исследования свойств сегнетоэлектрических наноструктур.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методика нелинейно-оптической диагностики субмикронной доменной структуры сегнетоэлектрических пленок, основанная на одновременном исследовании поляризационных зависимостей и индикатрис рассеяния ВГ, а также зависимостей интенсивности ВГ от угла падения.
-
Стендовая модель нелинейно-оптического микроскопа изображения с пространственным разрешением 0.4 мкм на основе фемтосекундного лазера и стробируемой ПЗС камеры с интенсификатором изображения для синхронных измерений оптических и электрических характеристик. Локальные петли гистерезиса сегнетоэлектрической поляризации с разрешением 0.4 мкм в тонкой пленке сегнетоэлектрической керамики.
-
Методика локальной диагностики состояния поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках на основе сканирующей нелинейно-оптической микроскопии. Картирование состояния поляризации по нелинейно-оптическому отклику в тонкой сегнетоэлектрической пленке при наложении электрического поля в плоскости и перпендикулярно плоскости пленки.
-
Алгоритмы расчета структурных и функциональных характеристик: объемных долей доменов, ориентированных вдоль различных кристаллографических осей, локальной (нормированной) поляризации.
-
Зависимости компонент тензора нелинейной восприимчивости и постоянной решетки от толщины пленки. Проверка наличия сегнетоэлектрических свойств в сверхтонких пленках (до 6 нм).
-
Методика исследования переключения сегнетоэлектрической поляризации и перестройки доменной структуры с временным разрешением 5 не.
-
Наличие квазилинейного режима переключения поляризации в тонкой сегнетоэлектрической пленке.
-
Структура и нелинейно-оптические свойства сегнетоэлектрических наноструктур (степень заполнения пор и глубина проникновения материала в поры мембраны-матрицы), полученных по шаблонной технологии на основе пористых мембран оксида алюминия, при исследовании поперечного скола наноструктуры методом АСМ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Междунарнодных конференциях: Международная научно-практическая конференция "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (rNTERMATIC'04), 2004, Россия; Международные конференции "Микро- и наноэлектроника" (ICMNE'01, ICMNE'03), 2003, 2001, Россия; 10* Европейский симпозиум по сегнетоэлектрическтву (EMF'03), 2003, Великобритания; Всероссийские конференции по физике сегнетоэлектриков (BKC-XVI, BKC-XV1I), 2003, 2005, Россия; 7й Российско-японский симпозиум по сегнетоэлектричеству (RCBJSF'02), 2002, Россия; Международная конференция по нелинейной оптике границ (NOPTT01), 2001, Нидерланды; Международная конференция по сегнетоэлектрическим элементам памяти (FERAM'01), 2001, Япония; Всероссийское совещание по нанофотонике, 2001, Россия; 19-я Европейская конференция по физике поверхности (ECOSS-19), 2000, Испания; Международная конференция по квантовой электронике (QELS'99), 1999, США; Европейская конференция Общества исследования материалов (E-MRS'98), 1998, Франция; Европейская конференция по квантовой электронике (CLEO/Europe-EQEC'98), 1998, Великобритания.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, из которых 13 работ являются статьями в реферируемых журналах (Physical Review Letters, ЖЭТФ, Микроэлектроника, Ferroelectrics, Applied Physics Letters, Thin Solid Films и др.).
Авторский вклад. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации
Диссертация включает в себя 175 страниц основного текста, 45 рисунков и 3 таблицы, и состоит из шести глав, введения, заключения и списка литературы, содержащего 220 наименований.
Во введении сформулирована постановка задачи и обосновывается актуальность выбранной темы.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Похожие диссертации на Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники
