Влияние отжига в вакууме на эволюцию доменной структуры при переключении поляризации в ниобате лития
Аннотация
Данная работа посвящена исследованию кинетики доменной структуры в монокристаллах ниобата лития модифицированных отжигом в вакууме. Исследовались образцы не модифицированного ниобата лития, а также кристаллы, отожженные в вакууме при температуре 300 °С, 700 °С, 800 °С.
В работе показано как изменяются свойства кинетика доменов с увеличением времени и температуры отжига в вакууме. Продемонстрировано, что высокотемпературный отжиг влияет на оптическое поглощение, распределение электрического поля в объеме, а также приводит к формированию не сегнетоэлектрической фазы на поверхности кристаллов. Установлено, что неоднородная проводимость позволяет реализовать внутриобъёмное переключение поляризации, при этом на полярных поверхностях формируются сетка заряженных доменных стенок (ЗДС) и отдельные домены.
Известно, что высокотемпературный отжиг в вакууме (выше 600 °С), приводит к образованию неоднородной проводимости внутри образца за счет аут-диффузии кислорода с поверхности. Данное распределение проводимости приводит к формированию неоднородного поля в кристалле, измерение распределения электрического поля было реализовано интерференционным методом, который позволяет показать распределение в полях соизмеримыми с переключающими. Использование экспериментальной установки на основе поляризационного микроскопа позволило in situ изучить процесс переключения поляризации, а также измерить токи переключения. Переключение поляризации реализовывалось путем приложения постоянного и растущего внешнего электрического поля с использованием жидких электродов.
Для исследования статики доменной структуры были использованы три вида микроскопии: силовая микроскопия пъезоэлектрического отклика (СМПО, NanoLaboratory NTEGRA Aura), оптическая микроскопия (Olympus BX-51), конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния света (КМКР, NanoLaboratory NTEGRA Spectra).
Было установлено, что минимальное значение проводимости для образцов, отожженных при температуре выше 800 ºС наблюдается в объеме образцов. Отжиг при температуре в 300 ºС существенно не влияет на распределение электрического поля, при отжиге свыше 700 ºС распределение электрического поля неравномерное по глубине. Оптическое поглощение при этом увеличивается с увеличением температуры отжига. Анализ видео и токов переключения позволил выявить основные стадии кинетики доменной структуры. Анализ статических изображений с КМКР и СМПО дал возможность определить механизмы формирования доменов.
3
Данные исследования имеют важное прикладное и фундаментальное значение. Формирование областей с установленным направлением вектора поляризации, а также контролируемое умение управлять свойствами кристалла, позволяет использовать их для создания разного рода нелинейно-оптических устройств.
Работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.
Результаты работы получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Формулировка темы исследования, постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научными руководителями: д.ф-м.н., проф. В.Я. Шуром и к.ф-м.н. Д.О. Аликиным.
Основные результаты работы опубликованы в одной статье, одна статья готовится к печати и 12 тезисах всероссийских и международных конференций.
Результаты работы были лично представлены автором на конкурсе научных работ студентов федеральных университетов России по естественнонаучному направлению, (Казань, Россия, 12-14 ноября 2014 г.) автору было присуждено третье призовое место.
Опубликованная статья - I.S. Palitsyn, V.I. Pryakhina, D.O. Alikin, S.A. Negashev, V.Ya. Shur, Charged domain walls in lithium niobate with inhomogeneous bulk conductivity, Ferroelectrics, V. 476, pp. 109-116 (2015).
В работе показано как изменяются свойства кинетика доменов с увеличением времени и температуры отжига в вакууме. Продемонстрировано, что высокотемпературный отжиг влияет на оптическое поглощение, распределение электрического поля в объеме, а также приводит к формированию не сегнетоэлектрической фазы на поверхности кристаллов. Установлено, что неоднородная проводимость позволяет реализовать внутриобъёмное переключение поляризации, при этом на полярных поверхностях формируются сетка заряженных доменных стенок (ЗДС) и отдельные домены.
Известно, что высокотемпературный отжиг в вакууме (выше 600 °С), приводит к образованию неоднородной проводимости внутри образца за счет аут-диффузии кислорода с поверхности. Данное распределение проводимости приводит к формированию неоднородного поля в кристалле, измерение распределения электрического поля было реализовано интерференционным методом, который позволяет показать распределение в полях соизмеримыми с переключающими. Использование экспериментальной установки на основе поляризационного микроскопа позволило in situ изучить процесс переключения поляризации, а также измерить токи переключения. Переключение поляризации реализовывалось путем приложения постоянного и растущего внешнего электрического поля с использованием жидких электродов.
Для исследования статики доменной структуры были использованы три вида микроскопии: силовая микроскопия пъезоэлектрического отклика (СМПО, NanoLaboratory NTEGRA Aura), оптическая микроскопия (Olympus BX-51), конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния света (КМКР, NanoLaboratory NTEGRA Spectra).
Было установлено, что минимальное значение проводимости для образцов, отожженных при температуре выше 800 ºС наблюдается в объеме образцов. Отжиг при температуре в 300 ºС существенно не влияет на распределение электрического поля, при отжиге свыше 700 ºС распределение электрического поля неравномерное по глубине. Оптическое поглощение при этом увеличивается с увеличением температуры отжига. Анализ видео и токов переключения позволил выявить основные стадии кинетики доменной структуры. Анализ статических изображений с КМКР и СМПО дал возможность определить механизмы формирования доменов.
3
Данные исследования имеют важное прикладное и фундаментальное значение. Формирование областей с установленным направлением вектора поляризации, а также контролируемое умение управлять свойствами кристалла, позволяет использовать их для создания разного рода нелинейно-оптических устройств.
Работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.
Результаты работы получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Формулировка темы исследования, постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научными руководителями: д.ф-м.н., проф. В.Я. Шуром и к.ф-м.н. Д.О. Аликиным.
Основные результаты работы опубликованы в одной статье, одна статья готовится к печати и 12 тезисах всероссийских и международных конференций.
Результаты работы были лично представлены автором на конкурсе научных работ студентов федеральных университетов России по естественнонаучному направлению, (Казань, Россия, 12-14 ноября 2014 г.) автору было присуждено третье призовое место.
Опубликованная статья - I.S. Palitsyn, V.I. Pryakhina, D.O. Alikin, S.A. Negashev, V.Ya. Shur, Charged domain walls in lithium niobate with inhomogeneous bulk conductivity, Ferroelectrics, V. 476, pp. 109-116 (2015).