Формирование микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектрических материалах методами сканирующей зондовой микроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Иевлев, Антон Владимирович

• Иевлев, Антон Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иевлев, Антон Владимирович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Определение и основные свойства сегнетоэлектриков.

1.1.1 Деполяризующее поле.

1.1.2 Внешнее экранирование.

1.1.3 Механизмы внутреннего экранирования.

1.2 Переключение поляризации под действием внешнего электрического поля

1.2.1 Кинетика доменной структуры.

1.2.2 Особенности переключения поляризации в случае неэффективного экранирования.

1.3 Использование сканирующей зондовой микроскопии при исследовании сегнетоэлектриков.

1.3.1 Атомная силовая микроскопия.

1.3.2 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика.

1.3.3 Локальное переключение поляризации.

1.3.4 Измерение локальных петель гистерезиса.

1.4 Сканирующая лазерная конфокальная микроскопия.

1.5 Ниобат лития и танталат лития.

1.5.1 Физические свойства.

1.5.2 Доменная структура.

1.5.3 Влияние отклонений от стехиометрии и легирующих примесей на свойства кристаллов.

1.6 Релаксорный сегнетоэлектрик ниобат бария-стронция.

1.6.1 Кристаллическая структура.

1.6.2 Исследование переключения поляризации.

1.6.3 Исследование доменной структуры.

Постановка задачи.

Глава 2. Исследуемые образцы, экспериментальные установки и методики экспериментов.

2.1 Исследуемые кристаллы.

2.1.1 Монокристаллы ниобата лития и танталата лития.

2.1.2 Монокристаллы ниобата бария стронция.

2.2 Экспериментальные установки.

2.2.1 Сканирующая зондовая микроскопия.

2.2.2 Сканирующая лазерная конфокальная микроскопия.

2.3 Методика измерений в режиме силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика.

2.4 Методика проведения локального переключения поляризации.

2.5 Методика измерения локальных петель гистерезиса.

2.6 Методика проведения измерений в сканирующей конфокальной микроскопии.

2.7 Краткие выводы.

Глава 3. Влияние адсорбционного слоя на локальное переключение поляризации в монокристаллах ниобата лития, легированного магнием, и стехиометрического танталата лития.

3.1 Влияние типа и проводимости адсорбционного слоя на размеры записываемых доменов.

3.2 Теоретическое описание роста домена в условиях ограниченного током переключения.

3.3 Влияние давления воздуха на размеры записываемых доменов.

3.4 Исследование переключения поляризации при повышенных температурах.

3.5 Краткие выводы.

Глава 4. Переключение поляризации вблизи доменной стенки в монокристаллах конгруэнтного ниобата лития.

4.1 Результаты локального переключения вблизи доменной стенки.

4.1.1 Перемещение зонда в режиме без контакта.

4.1.2 Перемещение зонда в контакте.

4.2 Формирование изолированного домена.

4.3 Локальный сдвиг доменной стенки.

4.4 Рост треугольного выступа на доменной стенке.

4.5 Рост нанодоменных цепей.

4.5.1 Формирование первого нанодомена в цепи.

4.5.2 Формирование второго и последующих нанодоменов.

4.6 Краткие выводы.

Глава 5. Взаимодействие между доменами в процессе локального переключения поляризации.

5.1 Взаимодействие между доменами в

5.2 Взаимодействие между доменами в MgO:LN.

5.3 Краткие выводы.

Глава 6. Кинетика и статика доменной структуры в ниобате бария стронция.

6.1 Исследование исходной доменной структуры.

6.2 СМГТО исследование формирования доменной структуры в SBN

6.2.1 Дискретное переключение поляризации.

6.2.2 Самопроизвольное обратное переключение поляризации.

6.2.3 Слияние микродоменов.

6.3 Создание микро- и нанодоменных структур в SBN.

6.4 Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектрических материалах методами сканирующей зондовой микроскопии»

Исследование кинетики фазовых переходов в физике конденсированного состояния представляет значительный интерес для изучения общих закономерностей кинетики фазовых превращений. Особый интерес представляют сегнетоэлектрические кристаллы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой можно изменять воздействием электрического поля. Процесс переключения поляризации, сопровождаемый изменением доменной структуры за счет образования и роста доменов в поле, может быть рассмотрен как аналог фазового превращения при фазовом переходе первого рода.

Использование сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), позволяющей проводить исследования статических доменных структур с нанометровым разрешением, открывает новые горизонты в исследовании фазовых превращений. Высокое пространственное разрешение позволяет визуализировать все стадии фазового перехода, начиная от образования наноразмерных зародышей и заканчивая слиянием доменов микронных размеров.

Кроме того, в последнее время сильно возрос интерес к практическому применению сегнетоэлектрических монокристаллов в связи с развитием доменной инженерии, которая занимается разработкой методов создания стабильных регулярных доменных структур, для улучшения характеристик важных для практического применения. Одной из наиболее актуальных задач доменной инженерии является создание фотонных нелинейно-оптических кристаллов. Наиболее популярным методом доменной инженерии является приложение электрического поля, позволяющее создавать периодические структуры с микронными периодами. Однако для некоторых приложений требуются фотонные кристаллы с субмикронными периодами.

СЗМ, на сегодняшний день, представляется наиболее перспективным методом для создания субмикронных структур. Показано, что приложение импульсов напряжения к наноразмерному электроду (проводящему зонду СЗМ), позволяет создавать домены с размерами менее 50 нм [1-3]. Однако до сих пор мало исследовано как влияние внешних условий на формирование и рост доменов, так и процессы взаимодействия между изолированными доменами.

Кроме того, чрезвычайно важным с фундаментальной и прикладной точек зрения является исследование кинетики формирования микро- и нанодоменных при переключении поляризации. Широкий спектр режимов СЗМ предоставляют уникальную возможность проведения локальных исследований процессов переключения поляризации, результаты которых могут быть использованы для оптимизации классических методов доменной инженерии.

Целью работы являлось экспериментально исследование и теоретическое описание процессов формирования микро- и нанодоменных структур при переключении поляризации электрическим полем, созданным проводящим зондом сканирующего зондового микроскопа.

Объекты исследования.

В качестве объекта исследования в данной работе были выбраны монокристаллы одноосных сегнетоэлектриков ниобата лития LiNb03 (LN), танталата лития ЬлТаОз (LT) и ниобата бария стронция SrxBai„xNb206 (SBN), как модельные сегнетоэлектрики, обладающие сравнительно простой доменной структурой. Монокристаллы семейства LN и LT в настоящее время находят широкое применение при создании устройств нелинейной оптики, в том числе с использованием доменной инженерии. В работе исследовались:

LN конгруэнтного состава (CLN) и легированный магнием (MgO:LN), LT стехиометрического состава (SLT) и SBN легированный церием. Основной методикой исследования и модификации доменных структур являлась сканирующая зондовая микроскопия, позволившая провести исследования и модификацию доменной структуры с нанометровым разрешением.

Сочетание важных и перспективных для применений материалов, а также 6 современной методики исследования доменных структур обусловливает актуальность проводимых исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые показано, что наклон локальной петли гистерезиса зависит от точки фокусировки лазера на поверхности кантилевера.

• Объяснен рост доменов с размерами, существенно превышающими радиус закругления зонда СЗМ, при локальном переключении поляризации.

• Обнаружено существенное влияние проводимости адсорбционного слоя на процесс переключения поляризации.

• Обнаружено и объяснено образование треугольных выступов и рост цепей нанодоменов при локальном переключении поляризации вблизи плоской доменной стенки

• Обнаружено взаимодействие между изолированными доменами во время локального переключения поляризации при расстояниях между доменами около толщины диэлектрического зазора

• Выявлен рост нанодоменных структур при переключении поляризации в релаксоре сегнетоэлектрике ниобате бария стронция.

Практическая значимость.

Полученные результаты создают фундаментальные основы для использования сканирующей зондовой сикроскопии в доменной инженерии для созданя субмикронных регулярных доменных структур в монокристаллах семейства ниобата лития и танталата лития для нового поколения устройств нелинейной оптики, на основе. В том числе, устройств, использующих эффект параметрической генерации света обратной волны, а также электрооптических переключаемых Брэгговских решеток для спектрально-селективной коммутации когерентного излучения. Кроме того полученные фундаментальные результаты которых могут быть использованы для оптимизации классических методов создания периодических доменных структур в доменной инженерии.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного и надежного аттестованного оборудования, надежной статистикой проведенных экспериментов, применением современных и независимых методов обработки данных, согласием с экспериментальными результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность проведенных расчетов подтверждается обоснованностью принятых допущений, согласованностью с экспериментальными данными и другими результатами.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Механизм роста доменов при локальном переключении поляризации под действием поля, создаваемого зондом сканирующего зондового микроскопа в присутствии проводящего адсорбционного слоя

2. Выявленные типы изменений плоской 180° доменной стенки при локальном переключении вблизи стенки

3. Механизм формирования треугольных выступов и цепей нанодоменов вдоль траектории движения заземленного СЗМ зонда после локлаьного переключения поляризации.

4. Механизм образования треугольных выступов и цепей нанодоменов при локальном переключении поляризации вблизи плоской 180° доменной стенки

5. Выявленное взаимодейтсвие между изолированными доменами во время локального переключения поляризации при расстояниях между доменами около толщины диэлектрического зазора.

6. Механизмы формирования микро- и нанодоменных структур при переключении поляризации в монокристаллах ниобат бария стронция

Апробация работы. Основные результаты были представлены на 25 российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе на

1st, 2nd, 3rd International Symposiums "Micro- and Nano-scale Domain Structuring 8 in Ferroelectrics" (15-19.11.2005, 22-27.08.2007, 13-18.09.2009, Екатеринбург), 9th, 10th International Symposiums on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic

Structures (26-30.06.2006, Dresden, Germany; 20-24.09.2010, Prague, Czech th th

Republic), 5 , 6 International Seminars on Ferroelastic Physics (10-13.09.2006, 22-25.09.2009, Воронеж), 11th, 12th European Meeting on Ferroelectricity (37.09.2007, Bled, Slovenia; 26.06-2.07.2011 Bordeaux, France), 9th, 10th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposiums on Ferroelectricity (15-19.06.2008, Vilnius, Lithuania; 20-24.06.2010, Yokohama, Japan), 6ой Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (1420.10.2007, Воронеж), 18ой и 19ой Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков (12-14.06.2008, Санкт-Петербург; 20-23.06.2011, Москва),

13™ Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (16th

20.03.2009 Нижний Новгород), 12 International Meeting on Ferroelectricity

23-27.08.2009 Xi'an, China), XXIII российской конференции по электронной th микроскопии (31.05-04.06.2010, Черноголовка), 19 Int. Symposium on the Applications of Ferroelectrics and the 10th European Conference on the Applications of Polar Dielectrics (9-12.08.2010, Edinburgh, UK), Международных форумах по нанотехнологиям «Rusnanotech-2009» и -2010 (6-8.10.2009, 1-3.11.2010, Москва), Зеи Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноинженерия» (13-15.10.2010 Калуга-Москва), Зеи Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (2629.10.2010, Нижний Новгород), 2ой Уральской школе молодых ученых «Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия» (1922.04.2011), 20th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics and the International Symposium on PFM& Nanoscale Phenomena in Polar Materials (24-27.07.2011 Vancouver, Canada), Symposium Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy (NGC 2011) (1216.09.2011, Зеленоград).

Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 48 печатных работах, из них 7 статей в российских и зарубежных реферируемых печатных изданиях и 41 тезис Всероссийских и международных конференций. Диссертационная работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке грантов РФФИ (гр. 10-02-96042-р-урал-а, гр. 10-02-00627-а), Федерального Агентства по образованию, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013» (гос. контракты П870, П2127), Федерального Агентства по науке и инновациям (гос. контракты №.02.740.110171, 02.552.11.7069), а также стипендии Правительства РФ (2011/12 уч. гг.).

Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром. Исследования в образцах ниобата бария стронция проводились совместно с Шиховой В.А, в образцах ниобата лития после лазерного облучения - с Мингалиевым Е.А. Образцы ниобата лития с поверхностью, модифицированной ионами аргона, исследовались вместе с Аликиным Д.О. Изучение объемных доменных структур с помощью сканирующей лазерной конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния проводилось вместе с Зеленовским П.С. и Небогатиковым М.С. Компьютерное моделирование кинетики доменов проводилось совместно с Лобовым А.И. Соавтор публикации Ивлева Л.И. (Институт общей физики РАН, Москва), предоставила образцы ниобата бария стронция. Часть исследований была проведена автором в центре «Nanophase Material Science» (Oak Ridge, США) при участии Калинина C.B.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 146 страниц, включая 70 рисунков, 2 таблицы, список условных обозначений и библиографию из 119 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Иевлев, Антон Владимирович

Основные результаты и выводы работы

В результате проведенных систематических исследований микро- и нанодоменных структур в одноосных сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития, танталата лития и ниобата бария стронция методами сканирующей зондовой микроскопии могут быть сделаны следующие основные выводы.

1. Разработаны оригинальные методики оптимизации измерительных параметров при визуализации доменных структур с помощью силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика и при измерении локальных петель гистерезиса.

2. На примере ниобата лития и танталата лития впервые экспериментально показано, что рост доменов при локальном переключении поляризации с помощью проводящего зонда сканирующего зондового микроскопа обусловлен наличием адсорбционного слоя с низкой проводимостью. Экспериментальные результаты объяснены в рамках оригинальной предложенной модели «ограниченного током роста доменов».

3. Впервые на примере ниобата лития изучена кинетика доменной структуры при локальном переключении поляризации вблизи плоской доменной стенки. Выявленные особенности: сдвиг доменной стенки, образование треугольного выступа и рост нанодоменной цепи, при локальном переключении поляризации биполярными треугольными импульсами отнесены за счет неполного экранирования деполяризующих полей. Результаты объяснены с учетом эффекта коррелированного зародышеобразования вблизи переключенного домена, наличия шлейфа остаточных деполяризующих полей за движущейся доменной стенкой и локального внешнего экранирования при сканировании заземленным зондом. Использованы результаты проведенных расчетов распределения остаточных деполяризующих полей в одноосном монокристалле с диэлектрическим поверхностным слоем вблизи изолированных доменов различной формы и размеров.

4. Экспериментально изученный эффект взаимодействия растущих изолированных доменов при локальном переключении поляризации в ниобате лития отнесен за счет изменения переключающего поля вблизи доменной стенки на расстоянии, определяемом толщиной диэлектрического зазора, при неполном экранировании деполяризующего поля.

5. Впервые обнаружено формирование нанодоменных структур при переключении поляризации в однородном поле в монокристалле одноосного релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария стронция. Выявлены механизмы формирования нанодоменов: (а) дискретное переключение вблизи доменной стенки, (б) самопроизвольное обратное переключение поляризации внутри доменов, (в) образование остаточных нанодоменов при слиянии микродоменов. Продемонстрировано, что основные закономерности формирования и роста микро- и нанодоменных структур в ниобате бария стронция и ниобате лития качественно подобны.

Благодарности

В заключение хочу выразить слова благодарности всем, кто помогал мне во время работы над этой диссертацией.

В первую очередь хочу выразить глубокую благодарность научному руководителю, профессору Шуру Владимиру Яковлевичу. Владимир Яковлевич стал для меня примером успешного, энергичного и целеустремленного современного ученого, который учит нас преодолевать трудности и, не смотря ни на что, двигаться к своей цели. Без руководства и поддержки Владимира Яковлевича создание данной диссертации оказалось бы невозможным. Отдельные благодарности хочу выразить своему первому руководителю Шишкину Евгению Игоревичу, который познакомил меня с удивительным методом Сканирующей Зондовой Микроскопией и на протяжении 4х лет терпеливо руководил моей работой.

Особую благодарность хочу выразить своей семье за поддержку и веру в мои силы. В первую очередь моей жене Иевлевой Жанне Владимировне, которая с пониманием и терпением относилась ко всем трудностям, возникавшим даже на самых тяжелых этапах работы над диссертацией, а также оказывала всевозможную помощь, и главное помогла мне побороть свою лень и закончить данный труд. Отдельную благодарность хочу выразить своим детям Соне и Пете, делавших все возможное для поддержания моего отличного настроения даже в самых трудных ситуациях. Кроме того хотелось сказать спасибо своим родителям Иевлевой Ольге Владимировне и Иевлеву Владимиру Алексеевичу. Спасибо, что вырастили меня, поставили на верный жизненный путь и научили учиться и ценить главное.

Отдельную благодарность хочу принести своему преподавателю физики в Специализированном учебно-научном центре УрГУ - Инишевой Ольге

Викторовне за то, что открыла для меня прекрасный и непостижимый мир физики.

Большое спасибо хочу сказать всем сотрудникам, аспирантам и студентам лаборатории сегнетоэлектриков. Спасибо Николаевой Екатерине, Батурину Ивану, Нерадовскому Максиму, Небогатикову Максиму, Аликину Денису, Турыгину Антону, Кузнецову Дмитрию, Мингалиеву Евгению и Ахматханову Андрею которые помогали мне осваиваться в мире экспериментальной физики. Спасибо Румянцеву Евгению Львовичу за активное участие в обсуждение полученных результатов. Спасибо Шур Алевтине Геннадьевне, Пелеговой Елене и Шур Лизе за поддержку и помощь в решении всех административных вопросов.

Работа состоялась во многом благодаря финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Российского фонда фундаментальных исследований, стипендий Правительства Российской Федерации, Губернатора Свердловской Области, в программах которых мне удалось поучаствовать.

Спасибо администрации УрГУ и УрФУ, сотрудникам и преподавателям физического факультета и кафедры компьютерной физики за полученные знания и предоставленную возможность учиться и одновременно работать в научной группе мирового уровня на современном оборудовании.

Спасибо Калинину Сергею (Center for Nanophase Material Science, Oak Ridge National Laboratory, USA) за возможность проведения экспериментальных исследований в одном из наиболее оснащенных научных центров в мире, а также за руководство моей работой во время этих исследований.

Спасибо всем тем, кто полностью или частично прочитал этот труд! Надеюсь, он будет для Вас интересен и полезен!

С уважением, Иевлев Антон

Список условных обозначений s0 - диэлектрическая постоянная, е - диэлектрическая проницаемость в объеме сегнетоэлектрика, eL - диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя, е"зз - деформации поверхностного слоя кристалла, направленной вдоль полярной оси,

Я - длина волны лазерного излучения, ц - подвижность доменной стенки, оъ - плотность «связанных» зарядов в сегнетоэлектрике, в -сигнал амплитуды пьезоэлектрического отклика в СМПО

Tscr - время экранирования, ср - фаза колебаний, f - относительное изменение длины доменной стенки,

Mc ~ рассчитанная частота спектра комбинационного рассеяния, с - форм-фактор растущего домена,

А - сигнал амплитуды пьезоэлектрического отклика в СМПО

CLN - конгруэнтный ниобат лития,

D - индукция электрического поля,

D - расстояние от центра домена до доменной границы, d - толщина сегнетоэлектрической пластины, dpiezo ~ пьезоэлектрический отклик поверхности образца,

Е, Е-электрическое поле,

Еаа - поле активации появления зародыша размерности / (ID, 2D, 3D)

Еь - поле объемного экранирования,

Edep ~ деполяризующее поле,

Еех - внешнее электрическое поле,

Eiayer - электрическое поле, создаваемое проводящим адсорбционным слоем,

Es - переключающее электрическое поле,

Er(¡ - остаточное деполяризующее поле,

Escr - поле внешнего экранирования,

Eíh - пороговое поле,

Elr - поле шлейфа,

E,ip - электрическое поле, создаваемое проводящим СЗМ зондом, fmod - частота модулирующего напряжения hgiue - толщина клеевой прослойки hsum - суммарная толщина клеевой прослойки и образца до полировки

Kample - исходная толщина образца hpohshed - толщина образца после полировки - экранирующий ток, lo - длина плоской доменной стенки,

L(r) - деполяризующий фактор,

LN - ниобат лития,

LT - танталат лития,

MgO:LN - ниобат лития легированный магнием,

Апе - приращения показателя преломления необыкновенного луча,

Ап0 - приращения показателя преломления обыкновенного луча,

NA - числовая апертура объектива,

Ps - спонтанная поляризация,

Qw - переключенный заряд, г - размер растущего домена, гар- радиус закругления АСМ зонда,

R - неэффективность экранирования,

Rlayer - сопротивление адсорбционного слоя,

Rwater - сопротивление водного адсорбционного слоя,

S(r) - среднеквадратичное отклонение исследуемой зависимости от среднего, полученного в интервале öt, измеряемый в методе нормированного размаха,

SBN - ниобат бария стронция,

SLT - стехиометрический танталат лития,

Тс — температура Кюри,

Tf- температура «замерзания» в релаксорных сегнетоэлектриках,

- длительность переключающего импульса, и - величина деформации АСМ кантилевера,

Uо - амплитуда модулирующего напряжения в СМПО Umod -модулирующее напряжения в СМПО Usw - амплитуда переключающего импульса, v - скорость движения доменной стенки, Х- координата,

XPfm и Ypfm - комбинированные сигналы пьезоэлектрического отклика в СМПО

АХ- величина сдвига доменной стенки,

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ДС - доменная стенка,

КР - комбинационное рассеяние,

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия,

КМКР - сканирующая лазерная конфокальная микроскопия комбинационного рассеивания,

СМПО - сканирующая микроскопия пьезоэлектрического отклика СТМ - сканирующая туннельная микроскопия