Фундаментальные основы технологии фемтосекундной лазерной кристаллизации сегнетоэлектрических микроструктур для устройств микро- и оптоэлектроники и их нелинейно-оптическая диагностика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Елшин Андрей Сергеевич

• Елшин Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Елшин Андрей Сергеевич

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОЗДАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Использование сегнетоэлектрических микроструктур

1.1.1. Волноводные и фотонно-кристаллические устройства

1.1.2. Оптические модуляторы и преобразователи

1.1.3. Сегнетоэлектрическая память

1.1.4. Микроэлектромеханические системы

1.2. Методы создания сегнетоэлектрических микроструктур, отличные от стандартной литографии

1.2.1. Метод облучения электронным пучком

1.2.2. Метод термохимической нанолитографии

1.2.3. Лазерно-индуцированная кристаллизация

Различие по длине волны

Различие по длительности импульсов; однофотонное и многофотонное поглощение

Модифицирование форм луча; использование массива лучей

1.3. Лазерно индуцированные волноводные структуры

1.4. Отжиг как этап получения сегнетоэлектрических плёнок и структур

1.4.1. Эксимерные лазеры и лампы

1.4.2. С02 лазерные системы

1.4.3. Твердотельные лазеры

1.5. Взрывная кристаллизация

Выводы к главе

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

2.1. Нелинейно-оптическая методика диагностики

2.2. Конфокальная нелинейно-оптическая микроскопия

2.3. Изготовление ламелл и просвечивающая электронная микроскопия

2.4. Пьезосиловая микроскопия

2.5. Объект исследования

Выводы к главе

ГЛАВА 3. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ 0Б И 1Б СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОСТРУКТУР

3.1. Создание Ш сегнетоэлектрических микроструктур

3.2. Режим двухстадийного отжига

3.3. Особенности кристаллизации микроструктур на плёнках разной толщины

3.4. Гл-БЙи нелинейно-оптическая методика диагностики

3.5. Пьезо-силовая микроскопия локальных структур

3.6. Просвечивающая электронная микроскопия

Выводы к главе

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛЬНОГО НАГРЕВА

Выводы к главе

ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМ ВЗРЫВНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список сокращений

ГВГ, ВГ - генерация второй оптической гармоники, вторая гармоника

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

RTA - быстрый термический отжиг

PZT - цирконат-титанат свинца

DRAM - динамическая память произвольного доступа FeRAM - сегнетоэлектрическая память МЭМС - микроэлектромеханические системы TCNL - термохимическая нанолитография УФ - ультрафиолетовый ИК - инфракрасный

КПД - коэффициент полезного действия

ВК - взрывная кристаллизация

ПСМ - пьезо-силовая микроскопия

ФИП - фокусированный ионный пучок

МФГ - морфотропная фазовая граница

XRD - дифракция рентгеновских лучей

ЛО - линейно-оптический

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

EDX - энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FEG - электронная пушка с полевой эмиссией

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию сегнетоэлектрических микроструктур различной геометрии, полученных методом фемтосекундной лазерной записи для создания оптоэлектронных устройств на их основе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фундаментальные основы технологии фемтосекундной лазерной кристаллизации сегнетоэлектрических микроструктур для устройств микро- и оптоэлектроники и их нелинейно-оптическая диагностика»

Актуальность

Интеграция сложных оксидов на кремнии открывает возможности для развития и улучшения кремниевой технологии с новыми электронными и фотонными свойствами. Интеграция сложного оптического функционала с высокой производительностью в тонких плёнках является сложной задачей и требует развития новых технологий производства. Есть потребность в развитии методик, с помощью которых можно получать активные элементы микро- и оптоэлектроники, которые позволят минимизировать дополнительные этапы обработки, такие как травление, проявка.

Локальный лазерный отжиг импульсами фемтосекундной длительности является подходящим методом создания различных структур на одной подложке с минимальным тепловым воздействием на соседние структуры и на подложку в целом. Основным преимуществом использования фемтосекундного лазера является нелинейный характер мульти-фотонного поглощения [1], благодаря чему возможно получение наноструктур с размерами порядка ста нанометров [2]. К настоящему времени показана возможность с помощью лазерного отжига создания волоконного лазера [3], оптического волноводного делителя [4]. С помощью автоматизированных механических платформ, двигающих образец во время отжига, возможно получение структуры со сложной 3D геометрией [5]. С помощью лазерного воздействия можно получить структуры различных форм [6], а также получить множество идентичных структур одновременно [7]. Для активных оптических элементов, таких как оптические конверторы частот, необходимы материалы,

обладающие нелинейно-оптическими свойствами [4]. Поэтому нелинейно-оптическая диагностика является одной из ключевых методик подобных исследований [8].

Нелинейно-оптическая диагностика может использоваться для определения изменений кристаллографической структуры (фазовые переходы с появлением или исчезновением нецентросимметричной фазы) как непосредственно во время фазового перехода (т-БЙи метод), так и после него (ех-БЙи метод).

Метод получения локальных областей сегнетоэлектрика с помощью локального лазерного отжига достаточно прост и дёшев, по сравнению, например, с методом термохимической нанолитографии (сравнение будет приведено далее).

Сегнетоэлектрики используются в микро- и оптоэлектронике в качестве активных элементов, то есть элементов, свойства которых (электрические и оптические) могут изменяться (управляться) внешним воздействием. К таким элементам относятся элементы памяти, МЭМС, оптические конверторы частот, электрооптические модуляторы, сенсоры, волноводные устройства.

Одной из современных тенденций в электронике является интеграция сложных мультифункциональных устройств на одной подложке, но недостатком популярного метода получения плёнок сегнетоэлектрика (молекулярно-лучевая эпитаксия, золь-гель осаждение из газовой фазы) является сильный нагрев всей структуры в целом (обычно более 900 К [9]), что делает невозможным его использование в случаях, когда на одной подложке интегрированы микроструктуры, чувствительные к нагреву.

Цель работы - разработка физических основ метода создания сегнетоэлектрических микроструктур различной геометрии при помощи фемтосекундного лазера из перкурсорного несегнетоэлектрического

материала.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследование условий кристаллизации в перовскитную фазу аморфной плёнки прекурсора сегнетоэлектрика лазерным импульсом, в частности, влияния следующих параметров: времени воздействия, плотности мощности лазерного импульса, режимов отжига (одностадийный, двухстадийный), толщины плёнки.

2. Получение локальных сегнетоэлектрических микроструктур, в том числе микроволноводов в планарной структуре и определение их характеристик.

3. Расчёт численными методами физических характеристик (3D распределения температуры и термических напряжений) структуры PZT/Pt/SiO2/Si, подвергшейся воздействию лазерного излучения.

4. Построение теоретической аналитической модели процесса лазерного отжига с учётом термических напряжений.

Личный вклад автора

Отжиг сегнетоэлектрических структур, поиск оптимальных параметров их получения, ex-situ и т^Ш нелинейно-оптическая диагностика, настройка экспериментальной установки, обработка результатов измерений были получены лично автором.

Численное моделирование в программном пакете COMSOL Multiphysics было проведено лично автором.

Пьезо-силовые измерения были проведены в лаборатории национального исследовательского технологического университета «МИСиС» при участии соискателя.

Теоретический расчёт был основан на модели В.И. Емельянова и получен соискателем совместно с В.И. Емельяновым и научным

руководителем Е.Д. Мишиной

Исследования полученных автором сегнетоэлектрических структур с помощью просвечивающей электронной микроскопии выполнены при участии соискателя в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН.

Апробация работы

Результаты работы прошли апробацию на следующих международных конференциях:

• Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (ЮТЕЯМАИС), 2014, 2017, Россия;

• Международная конференция «Европейский симпозиум по сегнетоэлектрикам» (ЕМБ) 2015, Португалия;

• Международная конференция по физике материалов и физике конденсированного состояния (МБСМР) 2014, 2016, 2018, Республика Молдова;

• Научно-техническая конференция МИРЭА 2014, 2015, 2016, Россия;

• Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» 2015, 2017, Россия;

• Международная молодёжная конференция (ФизикА.СПб), 2014, Россия;

• Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (БЬАМК) 2016, Россия;

• Всероссийская конференция по сегнетоэлектрикам, (ВКС) 2017, Россия.

Защищаемые положения

1. Двухстадийная методика лазерного отжига с этапом быстрого мощного нагрева (0,1 с, 1 МВт/см2) и последующим дополнительным этапом медленного умеренного нагрева (1 минута, 100 КВт/см2) позволяет снизить термическое воздействие и увеличить нелинейно-оптический отклик микроструктур на два порядка с сохранением гауссовой формы распределения интенсивности второй гармоники, свидетельствующей о недеструктивном воздействии (без образования дефектного центра) и образовании кристаллической области осесимметричной формы; при этом одностадиный отжиг, а также использование неоптимальных параметров приводит к неоднородному распределению сегнетоэлектрической фазы в области отжига.

2. Экспериментальная демонстрация инициирования кристаллизации на поверхности плёнки Р7Т несмотря на то, что источник локального нагрева находится на интерфейсе Р2Т/?1 Кристаллизованные области имеют формы полусфер с центром на поверхности плёнки, их радиус растёт с ростом длительности лазерного воздействия.

3. Численное моделирование показало:

а) требуемые плотности мощности лазера для достижения необходимой температуры существенно зависят от толщины оксидного слоя. Для оксида толщиной 10, 100, 500 нм необходимая плотность мощности составляла соответственно 5, 2,35 и 1,45 МВт/см2

б) эти мощности приводят к нагреву пленки до максимальной температуры 900 К, что обеспечивает переход в сегнетоэлектрическую фазу;

в) в плёнке прекурсора на расстоянии 1 мкм от центра кристаллизации температура спадает до 600 К, а в подложке непосредственно под местом нагрева температура составляет от 350 К при слое оксида толщиной 500 нм, до 640 К при толщине оксида 10 нм, чем обеспечивается существенное уменьшение температуры нагрева кристалла по сравнению со стандартным

отжигом;

г) в плёнке Р7Т присутствуют термо-индуцированные механические напряжения, которые максимальны на интерфейсе Р2Т/Р1

д) импульсным характером нагрева можно пренебречь;

4. Теоретическое обоснование инициирования кристаллизации на поверхности плёнки Р7Т с использованием модели взрывной кристаллизации из твёрдой фазы с учётом термически индуцированных напряжений на интерфейсе Р2Т/Р1. Критические температуры кристаллизации на поверхности Р7Т и на интерфейсе Р2Т/Р1 составляют соответственно 843 К и 1024 К, что объясняет несовпадение места инициации кристаллизации с источником нагрева. Модель позволяет предсказать радиус кристаллизованной области в зависимости от условий отжига.

5. Экспериментальный волновод в планарной структуре Р7Т, полученный с помощью фемтосекундного лазерного отжига. Наблюдаемое расстояние передачи оптического сигнала составило до 10 мкм. Рекомендуемые параметры получения: скорость сканирования 1 -10 мкм/с, плотность мощности излучения 1 МВт/см2. Оценка максимально возможных потерь составила ЫБ/10 мкм.

Научная новизна

Впервые получены новые режимы лазерно-индуцированной кристаллизации, которые позволяют получать качественные сегнетоэлектрические микро- и наноструктуры в тонких плёнках с воспроизводимыми нелинейно-оптическими характеристиками.

Впервые экспериментально обнаружено, что место инициации кристаллизации при облучении тонкой пленки прекурсора сегнетоэлектрика лазерным излучением с длиной волны 800 нм находится не в области максимального нагрева, а на поверхности пленки.

Предложена новая модифицированная аналитическая модель процесса локальной лазерной кристаллизации с учётом влияния термически индуцированных механических напряжений в плёнке Р7Т, которая подтверждена также численным моделированием термических и механических процессов, которые подтверждают наличие сильных механических напряжений в пленке.

Впервые получен оптический микроволновод в тонкой пленке цирконата-титаната свинца методом лазерного отжига фемтосекундным лазером и произведена оценка его характеристик.

Новизна работы в целом состоит в разработке альтернативной методики получения локальных сегнетоэлектрических областей в тонких плёнках, а также в развитии и применении теоретической модели для описания экспериментальных результатов.

Практическая значимость защищаемых положений и других результатов работы может быть сформулирована следующим образом:

Развита методика локального получения сегнетоэлектрических структур в тонких плёнках с помощью лазерного нагрева с минимальным термическим воздействием на окружающие области и подложку.

Предложена двухстадийная методика лазерного нагрева, которая позволяет уменьшить термическое воздействие на плёнку и увеличить нелинейно-оптические свойства микроструктур.

Получены образцы волноводов в планарной структуре, по которым можно передавать свет. Показаны оптимальные условия для их получения.

Предложена теоретическая модель, которая объясняет экспериментально обнаруженный характер кристаллизации, а также позволяет рассчитать размеры структур в зависимости от условий нагрева.

Результаты работы были использованы при выполнении проектов

Российского фонда фундаментальных исследований («Исследование структуры и локальных функциональных свойств сегнетоэлектрических микроструктур, кристализованных в перовскитную фазу фемтосекундным лазерным излучением» № 12-02-31620), а также в рамках государственного задания вузу («Разработка фундаментальных основ технологии фемтосекундной лазерной обработки материалов со сверхвысоким пространственным разрешением» № 11.144.2014)

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 статьях (7 ВАК) в рецензируемых отечественных и международных научных журналах. Список представлен в конце диссертации. Кроме того, получен один патент на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 189 библиографических ссылок. Общий объём диссертации составляет 134 страницы. Работа содержит 55 рисунков.

Первая глава является обзорной и содержит информацию о существующих работах, исследующих методики лазерного нагрева, а также альтернативные методики создания локальных микроструктур. Приводится информация о возможных применениях таких структур.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методик исследования полученных образцов локальных структур и обоснованности выбора этих методик, а также описанию использованного прекурсора и методики его получения.

Третья глава описывает результаты локального формирования сегнетоэлектрических микроструктур с помощью лазерного нагрева.

Четвёртая глава посвящена численному моделированию процесса локального нагрева в программном пакете COMSOL Multiphysics.

Пятая глава содержит теоретическое описание процесса кристаллизации.

ГЛАВА 1. СОЗДАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Использование сегнетоэлектрических микроструктур

1.1.1. Волноводные и фотонно-кристаллические устройства

Наноразмерные оптические волноводы являются базовым элементом оптических сетей и интегральных фотонных схем. Получение качественных волноводных структур в тонких плёнках является довольно трудной задачей [10], поэтому большинство работ посвящено объёмным структурам в таких материалах как LiNbO3, LiTaO3, KTiOPO4, KNbO3, которые широко используются в качестве объёмных нелинейно-оптических систем. Примером сегнетоэлектрического волноводного устройства не в объёмном материале, может служить например гибридный плазмонный волновод, полученный молекулярно-лучевой эпитаксией и ионным травлением [11].

Современная отрасль телекоммуникации использует оптические технологии для передачи, модуляции, фильтрации, усиления оптических сигналов. Одной из основных тенденций развития этой отрасли является интеграция мультифункциональных устройств в максимально компактном виде. Развитие лазерных технологий позволяет осуществить создание волноводных устройств в диэлектрических материалах путём лазерно-индуцированной кристаллизации (лазерной записи) [12]. Эта методика является привлекательной для создания фотонных интегральных схем. Подобная методика c использованием фемтосекундного лазерного источника в видимом диапазоне была впервые описана более 20 лет назад [13]. Однако большинство работ посвящено модификации объёмных стёкол, в основном кремниевых. До этого, а также в настоящее время, в основном используется ультрафиолетовое излучение с высокой энергией фотонов. Используя такое

излучение затруднительно произвести модификацию среды в объёме, так как оно сильно поглощается поверхностью, зато достаточно легко произвести абляцию.

Полностью оптические схемы обработки информации могут преодолеть многие ограничения электронных схем [14] (например сильное ограничение рабочих частот) и являются одной из основных идей фотоники. С помощью лазерного воздействия можно получать фотонно-кристаллические устройства. Фотонными кристаллами называют структуры с периодическим изменением показателя преломления, которые имеют так называемую фотонную запрещённую зону. Наличие такой запрещённой зоны означает что эти структуры могут пропускать свет с определённой длиной волны. Фотонные кристаллы из структур, обладающих нелинейной восприимчивостью второго порядка способны создавать условия для фазового синхронизма, что даёт возможность эффективной генерации оптических гармоник [15]. Квазифазовый синхронизм на периодических нелинейных структурах продемонстрирован в периодически поляризованном ЫМЬ03 [16], КТЮР04 [17], однако эти структуры были получены достаточно сложным литографическим методом. Примером применения фотонного кристалла может служить электрооптический модулятор, показанный на рисунке 1 [18].

11pm

Electrode

lilktitilaliill

ape ::::::::::::::: ape

waveguide ; ; ; ; ; ; \ ; ; ; : ; ;waveguide

"Е1ес!гоаГё.................................................

Рисунок 1. Электрооптический модулятор, построенный на основе фотонного кристалла в протонообменном волноводе в ЫМЬ03 [18].

1.1.2. Оптические модуляторы и преобразователи

Модуляторы на основе электрооптического эффекта в сегнетоэлектрических материалах на кремнии в настоящее время являются важными для интеграции в существующую КМОП технологию. Наиболее часто используемые материалы для этого LiNbO3, РЬ(7г, Т1)03, БаТЮ3, КМЬ03 [19]. Типичная структура электрооптического модулятора изображена на рисунке 2.

Кроме этого, существуют оптические модуляторы на основе резонаторов. Их развитие происходит за счёт сравнительно больших мощностей, требующихся для оперирования обычными модуляторами. Как широкополосные интегрированные модуляторы Маха - Цендера, так и узкополосные микроволновые требуют порядка 0,5 и более Ватт для достаточного эффекта модуляции. Используя высокодобротные резонаторы (вместо поворота поляризации и интерференции нулевого порядка) как основу электрооптического модулятора можно существенно снизить требуемые мощности [18].

Аи

БЮ2

Рисунок 2. Структура обычного электрооптического модулятора на сегнетоэлектрике [20].

Модуляторы на основе резонаторов в сегнетоэлектрических материалах в настоящее время активно изучаются [21,22]. Сегнетоэлектрические материалы используются также для создания нелинейно-оптических преобразователей и волноводных лазеров [23]. Они способны генерировать удвоенную частоту, разностную частоту, оптическую параметрическую флюоресценцию.

Лазерная технология представляет из себя более гибкий способ создавать обычные электрооптические устройства (кристаллизовать плёнку именно там, где это необходимо), а также создавать микрорезонаторные структуры (как показано далее в разделе 1.4. Лазерно-индуцированные волноводные структуры).

1.1.3. Сегнетоэлектрическая память

Бистабильность поляризации сегнетоэлектрических конденсаторов позволяет использовать их для применений энергонезависимой памяти. Память на основе сегнетоэлектриков (FeRAM) предложена в 1950-к, начала активно изучаться и разрабатываться в 1980-к и интересна благодаря низкому энергопотреблению, энергонезависимости, высокому количеству циклов перезаписи, быстрой скорости чтения/записи [24,25]. Переключение ячейки

FeRAM возможно за время менее 100 пикосекунд [26]. Структуру металл/сегнетоэлектрик/металл достаточно просто изготовить и масштабировать. Недавно показана возможность получить FeRAM с толщиной слоя PZT 280 нм на тонкой и гибкой кремниевой подложке [27].

Кроме FeRAM интересна память "на беговой дорожке" на гибридных сегнетоэлектрических/ферромагнитных структурах [28]. В таких устройствах к полосе сегнетоэлектрика прикладывается напряжение для механического воздействия на ферромагнитную полосу для её "запирания" (Рисунок 3). В качестве сегнетоэлектрика в данном случае может выступать PZT.

Для памяти нужны локальные сегнетоэлектрические структуры -отдельные конденсаторы для FeRAM или полосы для гибридной памяти. Как и во многих других применениях, такие структуры получают при нагреве всего образца, хотя достаточно было бы воздействовать локально, что привело бы к меньшим термическим эффектам.

Рисунок 3. Схема работы гибридной памяти на сегнетоэлектрике/ферромагнетике [28].

1.1.4. Микроэлектромеханические системы

Миниатюрные устройства или массивы устройств, которые объединяют

электронику с другими компонентами, такими как датчики, преобразователи и исполнительные механизмы составляют область

микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Одна из типичных конструкций пьезоэлектрических МЭМС-устройств - это однородный кантилевер, который использует поперечный пьезоэлектрический эффект (рисунок 4 а) [29].

V

а)

Верхний электрод Пьезоэлектрическая плёнка Нижний электрод

Пьезоэлектрическая сила Нейтральная ось

Рисунок 4. Типичная структура пьезоэлектрического МЭМС устройства (а) [29] и микроактюатор для перестраиваемого конденсатора, построенный на основе четырёх кантилеверов (б) [30].

Такие устройства состоят из пьезоэлектрических и не пьезоэлектрических слоёв. Они совместимы с обычным процессом

тонкоплёночного осаждения. Датчики или актюаторы обычно используют поперечные пьезоэлектрические свойства. Поскольку выходной электрический заряд датчиков или механическое смещение актюаторов обычно увеличивается с длиной кантилевера, можно получить больший выход, чем у продольных пьезоэлектрических конфигураций. С помощью комбинации таких кантилеверов можно создавать актюаторы, например для перестраиваемого конденсатора (рисунок 4 б) [30].

Технология изготовления сегнетоэлектрических МЭМС создает некоторые проблемы для интеграции: пьезоэлектрические слои обычно имеют более высокую толщину, обычно 0,5-5 мкм, что требует большей длительности отжига при высоких температурах [31]. Хотя есть данные, что интегральные схемы К-типа могут выдерживать до 4 минут при температуре 875°С без негативных эффектов [32], при возможности лучше избегать нагрева всего кристалла. Материалом для пьезоэлектрических актюаторов, преобразователей, а также для пироэлектрических применений обычно является цирконат-титанат свинца с составом вблизи морфотропной фазовой границы и РЬТЮ3. Предпочтительным способом осаждения является золь-гель, особенно в свете более низкой стоимости процесса, что требуется из-за типично небольших масштабов производства МЭМС по сравнению с микроэлектроникой. Структурированный рост, необходимый для оптимизации свойств, является сложным и требует полного контроля и понимания механизмов зарождения и роста.

Что касается применения цирконата титаната свинца (Р2Т) в качестве актюаторов, то были предприняты усилия для разработки сканирующих зеркал для лазерных дисплеев [33], микроактюаторов для автофокусировки в камерах [34] Микроактюаторы для миллиметровых роботов являются одним из наиболее привлекательных будущих применений пьезоэлектрических тонких плёнок на основе Р7Т [35]. Пьезоэлектрические ультразвуковые

преобразователи (рМЦТ) [36] и пьезоэлектрические аккумуляторы виброэнергии (РУБИб) [37] являются перспективными применениями датчиков или генераторов с использованием пьезоэлектрических тонких плёнок. Также Р7Т является стандартным материалом для акселерометров и гироскопов [38], акустических сенсоров [39], элементов кантилеверов [40].

1.2. Методы создания сегнетоэлектрических микроструктур, отличные от стандартной литографии

В этом разделе рассмотрим различные методики локального формирования сегнетоэлектрических микро- и наноструктур с использованием воздействия электронного луча, лазерного луча, горячего кантилевера.

Разумеется, некоторые из таких структуры можно создавать методом стандартной фотолитографии, однако лазерные технологии являются более дешёвыми и простыми, позволяют обойтись без масок. Предлагаемый метод лазерной кристаллизации наиболее схож с методом лазерной литографии с помощью фемтосекундного лазера, однако в литографии объектом воздействия обычно является фоторезист [41].

1.2.1. Метод облучения электронным пучком.

Методика изготовления наноструктур основанная на облучении

металлоорганического раствора прекурсора электронным пучком приведена

здесь в качестве примера, когда локальное воздействие используется для

формирования сегнетоэлектрических микроструктур, но при этом также

необходимы дополнительные этапы воздействия на весь образец, а именно

погружение в растворитель и последующая изотермическая обработка [42].

Растворимость области, подвергнутой воздействию электронного пучка,

изменяется так, что неэкспонированные области растворяются при

погружении в растворитель. Структуры затем кристаллизуются путём

22

длительной термообработки при высоких температурах. Основным преимуществом этого метода обработки является возможность получать наноструктуры заданных размеров и форм (рисунок 5 а). Однако это означает, что метод требует значительное время для получения результата. Стоит подчеркнуть необходимость термической обработки, а также воздействия растворителя на весь образец. Обработанные структуры могут быть созданы на платинизированных кремниевых подложках, а также в оксидных монокристаллических подложках. Полученный материал обычно имеет поликристаллическую структуру с размером зерна, составляющим от 10 до 30 нм. Кроме того, усадка, связанная с удалением растворителя, может быть чрезвычайно большой (до 40%), а в наноструктурах с латеральными размерами менее 100 нм может приводить к искажению формы окончательной кристаллизованной структуры.

Рисунок 5. СЭМ изображение матрицы из сегнетоэлектрических структур Р7Т с размерами 100 нм (а) [42]. Фотоннокристаллическая структура в РЬ7Т (б) [43].

С помощью облучения электронным пучком и последующей термической обработкой можно получать фотонно -кристаллические

сегнетоэлектрические микроструктуры, варьируя показатель преломления материала. В работе [43] в сегнетоэлектрической плёнке РЬ7Т была сделана матрица из наноотверстий с диаметром 560 нм (5 б) с помощью сканирования металлорганического прекурсора эллектронным пучком с последующей проявкой и кристаллизацией. На таком эффекте можно построить оптические волноводы [44], микролазеры [45], микропризмы [46].

С помощью данного метода затруднительно создать структуры без последующей обработки - проявки, сушки, кристаллизации.

1.2.2. Метод термохимической нанолитографии

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Елшин Андрей Сергеевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sun H.B., Kawata S. Two-photon photopolymerization and 3D lithographic microfabrication // Adv. Polym. Sci. 2004. Vol. 170. P. 169-273.

2. Tanaka T., Sun H.B., Kawata S. Rapid sub-diffraction-limit laser micro/nanoprocessing in a threshold material system // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80, № 2. P. 312-314.

3. Della Valle G. et al. 1.5 ^m single longitudinal mode waveguide laser fabricated by femtosecond laser writing // Opt. Express. 2007. Vol. 15, № 6. P.3190-3194.

4. Stone A. et al. Direct laser-writing of ferroelectric single-crystal waveguide architectures in glass for 3D integrated optics // Sci. Rep. Nature Publishing Group, 2015. Vol. 5, № May. P. 1-10.

5. Dai Y. et al. Direct writing three-dimensional Ba2TiSi2O8 crystalline pattern in glass with ultrashort pulse laser // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90, № 18. P. 181109.

6. Sanner N. et al. Programmable focal spot shaping of amplified femtosecond laser pulses. // Opt. Lett. 2005. Vol. 30, № 12. P. 1479-1481.

7. Saint-Pierre D. et al. Fast Uniform Micro Structuring of DLC Surfaces Using Multiple Ultrashort Laser Spots through Spatial Beam Shaping // Phys. Procedia. 2016. Vol. 83. P. 1178-1183.

8. Cao J. et al. Tunable angular-dependent second-harmonic generation in glass by controlling femtosecond laser polarization // J. Opt. Soc. Am. B. 2016. Vol. 33, № 4. P. 741.

9. Morita T. et al. Ferroelectric properties of an epitaxial lead zirconate titanate thin film deposited by a hydrothermal method below the Curie temperature. 2004.

10. Suhara T., Fujimura M. Waveguide Nonlinear-Optic Devices. Springer, 2003.

117

Vol. 11.

11. Fu Y. et al. Ferroelectric Hybrid Plasmonic Waveguide for All-Optical Logic Gate Applications // Plasmonics. 2013. Vol. 8. P. 749-754.

12. Keil R. et al. All-optical routing and switching for three-dimensional photonic circuitry // Sci. Rep. 2011. Vol. 1. P. 1-6.

13. Davis K.M. et al. Writing waveguides in glass with a femtosecond laser // Opt. Lett. 1996. Vol. 21, № 21. P. 1729.

14. Kivshar Y.S. Nonlinear optics: The next decade // Opt. Express. 2008. Vol. 16, № 26. P. 22126.

15. Saltiel S., Kivshar Y.S. Phase matching in nonlinear x (2) photonic crystals // OPTICS LETTERS. 2000. Vol. 25, № 16.

16. Myers L.E. et al. Quasi-phase-matched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO 3 // J. Opt. Soc. Am. B. 1995. Vol. 12, № 11.

17. Karlsson H., Laurell F. Electric field poling of flux grown KTiOPO4 // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71, № 24. P. 3474-3476.

18. Ferraro P., Grilli S., Natale P. De. Ferroelectric crystals for photonic applications: including nanoscale fabrication and characterization techniques. 2013.

19. Xiong C. Controlling tetragonality and crystalline orientation in BaTiO3 nano-layers grown on Si // J. Light. Technol. McGraw-Hill, 2011. Vol. 88, № 7. P. 1423-1431.

20. Xiong C. et al. Active silicon integrated nanophotonics: Ferroelectric BaTiO3 devices // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 3. P. 1419-1425.

21. Barucci A. et al. Determination of coupling regime of high-Q coupled resonators using cavity ring down spectroscopy. 2016.

22. Pan Y. et al. Design of X-Cut and Z-Cut Lithium Niobate Whispering-Gallery-Mode Disk-Resonators with High Quality Factors // IEEE Photonics J. 2017. Vol. 9, № 4.

23. Schreiber G. et al. Nonlinear integrated optical frequency converters with periodically poled Ti:LiNbO 3 waveguides / ed. Righini G.C., Honkanen S. 2001. P. 144.

24. Sheikholeslami A., Gulak P.G. A survey of circuit innovations in random-access memories // Proc. IEEE. 2000. Vol. 88, № 5. P. 667-689.

25. Larsen P.K. et al. Ultrafast polarization switching of lead zirconate titanate thin films // ISAF '92: Proceedings of the Eighth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics. IEEE. P. 217-224.

26. Li J. et al. Ultrafast polarization switching in thin-film ferroelectrics // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 7. P. 1174-1176.

27. Ghoneim M.T. et al. Thin PZT-Based Ferroelectric Capacitors on Flexible Silicon for Nonvolatile Memory Applications // Adv. Electron. Mater. 2015. Vol. 1, № 6. P. 1-10.

28. Lei N. et al. Strain-controlled magnetic domain wall propagation in hybrid piezoelectric/ferromagnetic structures // Nat. Commun. Nature Publishing Group, 2013. Vol. 4, № 1. P. 1378.

29. Kanno I. Piezoelectric MEMS: Ferroelectric thin films for MEMS applications // Jpn. J. Appl. Phys. 2018. Vol. 57, № 4. P. 040101.

30. Park J.Y. et al. Micromachined RF MEMS tunable capacitors using piezoelectric actuators // 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest (Cat. No.01CH37157). IEEE. Vol. 3. P. 2111-2114.

31. Setter N. et al. Ferroelectric thin films: Review of materials, properties, and applications // J. Appl. Phys. 2006. Vol. 100, № 5.

32. Tseng Y.C. et al. Monolithic Integration of Carbon Nanotube Devices with Silicon MOS Technology // Nano Lett. 2004. Vol. 4, № 1. P. 123-127.

33. Masanao Tani et al. A two-axis piezoelectric tilting micromirror with a newly developed PZT-meandering actuator // 2007 IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2007. P.

699-702.

34. Nicolas S. et al. Fabrication and characterization of a new varifocal liquid lens with embedded PZT actuators for high optical performances // 2015 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2015. P. 65-68.

35. Pulskamp J.S. et al. Piezoelectric PZT MEMS technologies for small-scale robotics and RF applications // MRS Bull. Cambridge University Press, 2012. Vol. 37, № 11. P. 1062-1070.

36. Akasheh F. et al. Development of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers // Sensors Actuators A Phys. Elsevier, 2004. Vol. 111, № 2-3. P. 275-287.

37. Kim S.-G., Priya S., Kanno I. Piezoelectric MEMS for energy harvesting // MRS Bull. Cambridge University Press, 2012. Vol. 37, № 11. P. 1039-1050.

38. Nemirovsky Y. et al. Design of novel thin-film piezoelectric accelerometer // Sensors Actuators A Phys. 1996. Vol. 56, № 3. P. 239-249.

39. Ledermann N. et al. Piezoelectric cantilever microphone for photoacoustic gas detector // Integr. Ferroelectr. 2001. Vol. 35, № 1-4. P. 177-184.

40. Fujii T., Watanabe S. Feedback positioning cantilever using lead zirconate titanate thin film for force microscopy observation of micropattern // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68, № 4. P. 467-468.

41. Nishiyama H. et al. Microlens arrays of high-refractive-index glass fabricated by femtosecond laser lithography // Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 255, № 24. P. 9750-9753.

42. Alexe M., Harnagea C., Hesse D. Non-Conventional Micro-and Nanopatterning Techniques for Electroceramics // Journal of Electroceramics. Kluwer Academic Publishers, 2004. Vol. 12. 69-88 p.

43. Okamura S. et al. Fabrication of Ferroelectric Photonic Crystals // Integr. Ferroelectr. 2005. Vol. 69, № 1. P. 303-313.

44. Noda S., Chutinan A., Imada M. Trapping and emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure // Nature. 2000. Vol. 407, № 6804. P. 608-610.

45. Nojima S. Laser Oscillation due to Light Slowed-Down by Excitons in Photonic Crystals // J. Phys. Soc. Japan. 2001. Vol. 70, № 11. P. 3432-3445.

46. Lin S.-Y. et al. Highly dispersive photonic band-gap prism // Opt. Lett. 1996. Vol. 21, № 21. P. 1771.

47. Kim S. et al. Direct fabrication of arbitrary-shaped ferroelectric nanostructures on plastic, glass, and silicon substrates // Adv. Mater. 2011. Vol. 23, № 33. P. 3786-3790.

48. Bassiri-Gharb N., Bastani Y., Bernal A. Chemical solution growth of ferroelectric oxide thin films and nanostructures // Chem. Soc. Rev. 2014. Vol. 43, № 7. P. 2125-2140.

49. Tseng A. Tip-based nanofabrication: Fundamentals and applications. 2011.

50. Shin H.W., Son J.Y. Ferroelectric BiFeO3 nanodots formed in non-crystallized BiFeO3 thin-films via a local heating process using a heated atomic force microscope tip // J. Sol-Gel Sci. Technol. Springer US, 2018. P. 170-174.

51. Szoszkiewicz R. et al. High-Speed, Sub-15 nm Feature Size Thermochemical Nanolithography // Nano Lett. 2007. Vol. 7, № 4. P. 1064-1069.

52. Zou Q. et al. Control Issues in High-speed AFM for Biological Applications: Collagen Imaging Example. // Asian J. Control. NIH Public Access, 2004. Vol. 6, № 2. P. 164-178.

53. Yan Yan, Zou Q., Zhiqun Lin. A control approach to high-speed probe-based nanofabrication // 2009 American Control Conference. IEEE, 2009. P. 295300.

54. Yan Y., Wang H., Zou Q. A decoupled inversion-based iterative control approach to multi-axis precision positioning: 3D nanopositioning example // Automatica. 2012. Vol. 48, № 1. P. 167-176.

55. Carroll K.M. et al. Parallelization of Thermochemical Nanolithography // Nanoscale. 2014. Vol. 6. P. 1299-1304.

56. Sugioka K., Cheng Y. Ultrafast lasers-reliable tools for advanced materials processing // Light Sci. Appl. 2014. Vol. 3, № 390. P. 1-12.

57. Stone A. et al. Formation of ferroelectric single-crystal architectures in LaBGeO5glass by femtosecond vs. continuous-wave lasers // J. Non. Cryst. Solids. Elsevier B.V., 2010. Vol. 356, № 52-54. P. 3059-3065.

58. Kawata S. et al. Finer features for functional microdevices // Nature. 2001. Vol. 412, № 6848. P. 697-698.

59. Tan D. et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500 // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90, № 7. P. 1-4.

60. Joglekar A.P. et al. Optics at critical intensity: Applications to nanomorphing // Proc. Natl. Acad. Sci. 2004. Vol. 101, № 16. P. 5856-5861.

61. Liao Y. et al. Femtosecond laser nanostructuring in porous glass with sub-50 nm feature sizes. // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, № 2. P. 187-189.

62. Honma T. et al. Writing of rare-earth ion doped lithium niobate line patterns in glass by laser scanning // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2009. Vol. 1. P. 012006.

63. Sugita H. et al. Formation of LiNbO3 crystals at the surface of TeO2 -based glass by YAG laser-induced crystallization // Solid State Commun. 2007. Vol. 143, № 6-7. P. 280-284.

64. Gupta P. et al. Laser fabrication of semiconducting ferroelectric single crystal SbSI features on chalcohalide glass // Opt. Mater. Express. 2011. Vol. 1, № 4. P. 652.

65. Honma T. et al. Writing of crystal line patterns in glass by laser irradiation // J. Non. Cryst. Solids. 2008. Vol. 354, № 2-9. P. 468-471.

66. Savytskii D. et al. Demonstration of single crystal growth via solid-solid transformation of a glass // Sci. Rep. Nature Publishing Group, 2016. Vol. 6,

№ March. P. 1-7.

67. Ihara R. et al. Writing of two-dimensional crystal curved lines at the surface of Sm2O3-Bi2O3-B2O3glass by samarium atom heat processing // Solid State Commun. 2005. Vol. 136, № 5. P. 273-277.

68. Tzou D.Y., Chen J.K., Beraun J.E. Recent development of ultrafast thermoelasticity // J. Therm. Stress. 2005. Vol. 28, № 6-7. P. 563-594.

69. Chen J.K., Tzou D.Y., Beraun J.E. A semiclassical two-temperature model for ultrafast laser heating // Int. J. Heat Mass Transf. 2006. Vol. 49, № 1-2. P. 307-316.

70. Hohlfeld J. et al. ._Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals.pdf. 2000. P. 237-258.

71. Queraltó A. et al. Ultrafast Epitaxial Growth of Functional Oxide Thin Films by Pulsed Laser Annealing of Chemical Solutions // Chem. Mater. 2016. P. acs.chemmater.6b01968.

72. Campbell S. et al. Direct optimization of femtosecond laser ablation using adaptive wavefront shaping // J. Opt. A Pure Appl. Opt. 2007. Vol. 9, № 11. P.1100-1104.

73. Hayasaki Y. et al. Variable holographic femtosecond laser processing by use of a spatial light modulator // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87, № 3. P. 20032006.

74. Silvennoinen M. et al. Parallel femtosecond laser ablation with individually controlled intensity // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 3. P. 2603.

75. Dumas V. et al. Femtosecond laser nano/micro patterning of titanium influences mesenchymal stem cell adhesion and commitment // Biomed. Mater. 2015. Vol. 10, № 5. P. 055002.

76. Houzet J. et al. Ultrafast laser spatial beam shaping based on Zernike polynomials for surface processing // Opt. Express. 2016. Vol. 24, № 6. P. 6542.

77. Lamprecht B. et al. Spatial light modulator based laser microfabrication of volume optics inside solar modules // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 6. P. A227.

78. Paipulas D. et al. Local photorefractive modification in lithium niobate using ultrafast direct laser write technique // J. Laser Micro Nanoeng. 2016. Vol. 11, № 2. P. 246-252.

79. Castera P. et al. Influence of BaTiO_3 ferroelectric orientation for electro-optic modulation on silicon // Opt. Express. 2015. Vol. 23, № 12. P. 15332.

80. Osellame R., Cerullo G., Ramponi R. Femtosecond laser micromachining: photonic and microfluidic devices in transparent materials. Milano: Springer, 2012.

81. Burghoff J., Nolte S., Tünnermann A. Origins of waveguiding in femtosecond laser-structured LiNbO3 // Appl. Phys. A. 2007. Vol. 89, № 1. P. 127-132.

82. Okhrimchuk A.G. et al. Depressed cladding, buried waveguide laser formed in a YAG:Nd3+ crystal by femtosecond laser writing. // Opt. Lett. 2005. Vol. 30, № 17. P. 2248-2250.

83. Marshall G.D. et al. Laser written waveguide photonic quantum circuits // Opt. Express. 2009. Vol. 17, № 15. 12546-12554 p.

84. Chen F., de Aldana J.R.V. Optical waveguides in crystalline dielectric materials produced by femtosecond-laser micromachining // Laser Photonics Rev. 2014. Vol. 8, № 2. P. 251-275.

85. Nie W., Vázquez de Aldana J.R., Chen F. Dual-line optical waveguides in Cu:KNSBN crystal fabricated by direct femtosecond laser writing // Opt. Eng. 2015. Vol. 54, № 9. P. 097106.

86. Zai M.H.M. et al. Highly 111 oriented lead zirconate titanate thin films deposited using a non-polymeric route // Thin Solid Films. 2001. Vol. 394. P. 97-101.

87. Shi L. et al. Development of ferroelectric Pb(ZrxTi1-x)O3 thin films by

metallo-organic decomposition process and rapid thermal annealing // Integr. Ferroelectr. 1992. Vol. 1. P. 111-127.

88. Kumar C.V.R.V. et al. Lead zirconate titanate films by rapid thermal processing // Appl. Phys. Lett. 1991. Vol. 58, № 11. P. 1161-1163.

89. Desbiens J.-P., Masson P. ArF excimer laser micromachining of Pyrex, SiC and PZT for rapid prototyping of MEMS components // Sensors Actuators A Phys. 2007. Vol. 136, № 2. P. 554-563.

90. Lu X.M. et al. Pulsed excimer (KrF) laser induced crystallization of PbZr 0.44 Ti 0.56 O 3 amorphous films // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 66. 2481 p.

91. Shiojiri D. et al. Room-temperature fabrication of highly oriented P-Ga2O3 thin films by excimer laser annealing // J. Cryst. Growth. 2015. Vol. 424. P. 38-41.

92. Bermundo J.P.S. et al. H and Au diffusion in high mobility a -InGaZnO thin-film transistors via low temperature KrF excimer laser annealing // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110, № 13. P. 133503.

93. Ghosh K. et al. Excimer laser annealing: An alternative route and its optimisation to effectively activate Si dopants in AlN films grown by plasma assisted molecular beam epitaxy // Mater. Res. Bull. Elsevier, 2018. Vol. 97, № September. P. 300-305.

94. Fork D.K. et al. Capillary waves in pulsed excimer laser crystallized amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68, № 15. P. 2138-2140.

95. Im J.S., Kim H.J. On the super lateral growth phenomenon observed in excimer laser-induced crystallization of thin Si films // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 64, № 17. P. 2303-2305.

96. Chou C.-F., Pan H.-C., Chou C.-C. Electrical Properties and Microstructures of PbZrTiO 3 Thin Films Prepared by Laser Annealing Techniques // Jpn. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 41, № Part 1, No. 11B. P. 6679-6681.

97. Zhu Y. et al. Laser-assisted low temperature processing of Pb(Zr, Ti)O3 thin

film // Appl. Phys. Lett. 1998. Vol. 73, № 14. P. 1958-1960.

98. Zhang J.-Y., Boyd I.W. Characterization of Lead-Zirconate-Titanate (PZT) Films Formed by Photo-Decomposition of Metal Organic Polymer // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. Vol. 38, № Part 2, No. 4A. P. L393-L394.

99. Matsui Y. et al. Laser annealing to produce ferroelectric-phase PbTiO 3 thin films // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52, № 8. P. 5107-5111.

100. Baba S., Tsuda H., Akedo J. Thickness dependence of electrical properties of PZT films deposited on metal substrates by laser-assisted aerosol deposition // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2008. Vol. 55, № 5. P. 10091016.

101. Baba S., Akedo J. Fiber laser annealing of nanocrystalline PZT thick film prepared by aerosol deposition // Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 255, № 24. P. 9791-9795.

102. Preuss S., Demchuk A., Stuke M. Sub-picosecond UV laser ablation of metals // Appl. Phys. A. 1995. Vol. 61. 33-37 p.

103. Stuart B.C. et al. Optical ablation by high-power short-pulse lasers // J. Opt. Soc. Am. B. 1996. Vol. 13, № 2. P. 459.

104. Nolte S. et al. Ablation of metals by ultrashort laser pulses // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. Vol. 14, № 10. P. 2716.

105. Redka D.M. et al. Development of physico-technological basics of formation of structural organized ferroelectric films by the method of magnetron sputtering followed by laser processing // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 387. P. 012065.

106. Lipatiev A.S. et al. Crystal-in-glass architecture engineering: writing, erasing and rewriting by a femtosecond laser beam // CrystEngComm. 2018. Vol. 20, № 22. P. 3011-3015.

107. Galinetto P. et al. Microstructural modification of LiNbO3 crystals induced by femtosecond laser irradiation // Appl. Surf. Sci. 2005. Vol. 248, № 1-4. P.

291-294.

108. Miura K. et al. Space-selective growth of frequency-conversion crystals in glasses with ultrashort infrared laser pulses // Opt. Lett. 2000. Vol. 25, № 6. P. 408.

109. Stone A. et al. Multilayer aberration correction for depth-independent three-dimensional crystal growth in glass by femtosecond laser heating // J. Opt. Soc. Am. B. 2013. Vol. 30, № 5. P. 1234.

110. Yonesaki Y. et al. Space-selective precipitation of non-linear optical crystals inside silicate glasses using near-infrared femtosecond laser // J. Non. Cryst. Solids. 2005. Vol. 351, № 10-11. P. 885-892.

111. Dai Y. et al. Femtosecond laser-induced oriented precipitation of Ba2TiGe2O8 crystals in glass // Opt. Express. 2008. Vol. 16, № 6. P. 3912-3917.

112. Dai Y. et al. Space-selective precipitation of functional crystals in glass by using a high repetition rate femtosecond laser // Chem. Phys. Lett. 2007. Vol. 443, № 4-6. P. 253-257.

113. He X. et al. Size-controlled oriented crystallization in SiO_2-based glasses by femtosecond laser irradiation // J. Opt. Soc. Am. B. 2014. Vol. 31, № 2. P. 376.

114. Yang W., Kazansky P.G., Svirko Y.P. Non-reciprocal ultrafast laser writing // Nat. Photonics. 2008. Vol. 2, № 2. P. 99-104.

115. Wang W. et al. Effect of Pyrolytic Film Thickness on the Texture Evolution of PZT Thin Films // Integr. Ferroelectr. 2015. Vol. 159, № 1. P. 108-113.

116. Lin J. et al. Femtosecond laser direct writing of high-Q microresonators in glass and crystals // Proc. SPIE. 2015. Vol. 9343, № March. P. 934310.

117. Siebenmorgen J. et al. Femtosecond laser written stress-induced Nd:Y3Al5O12 (Nd:YAG) channel waveguide laser // Appl. Phys. B. 2009. Vol. 97, № 2. P. 251-255.

118. Yu Firsova N. et al. Femtosecond infrared laser annealing of PZT films on a metal substrate // Ferroelectrics. 2012. Vol. 433, № 1. P. 164-169.

119. Hu H., Peng C.., Krupanidhi S.. Effect of heating rate on the crystallization behavior of amorphous PZT thin films // Thin Solid Films. 1993. Vol. 223, № 2. P. 327-333.

120. Meng X.. et al. Low-temperature preparation of highly (111) oriented PZT thin films by a modified sol-gel technique // J. Cryst. Growth. 2000. Vol. 208, № 1-4. P. 541-545.

121. Knobler C.M., Desai R.C. Phase Transitions in Monolayers // Annu. Rev. Phys. Chem. 1992. Vol. 43, № 1. P. 207-236.

122. Anderson V.J., Lekkerkerker H.N.W. Insights into phase transition kinetics from colloid science // Nature. Nature Publishing Group, 2002. Vol. 416, № 6883. P. 811-815.

123. Wuttig M., Yamada N. Phase-change materials for rewriteable data storage // Nat. Mater. 2007. Vol. 6, № 11. P. 824-832.

124. Milathianaki D. et al. Femtosecond visualization of lattice dynamics in shock-compressed matter // Science (80-. ). 2013. Vol. 342, № 6155. P. 220-223.

125. Uteza O.P. et al. Gallium transformation under femtosecond laser excitation: Phase coexistence and incomplete melting // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2004. Vol. 70, № 5. P. 1-13.

126. Gedik N. et al. Nonequilibrium Phase Transitions in Cuprates Observed by Ultrafast Electron Crystallography // Science (80-. ). 2007. Vol. 316, № 5823. P. 425-429.

127. Beaud P. et al. Ultrafast structural phase transition driven by photoinduced melting of charge and orbital order // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103, № 15. P. 1-4.

128. De Jong J.A. et al. Coherent control of the route of an ultrafast magnetic phase transition via low-amplitude spin precession // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108, № 15. P. 1-5.

129. Zheludev N. All change, please // Nat. Photonics 2007 110. Nature Publishing

Group, 2007.

130. Forst M. et al. Spatially resolved ultrafast magnetic dynamics initiated at a complex oxide heterointerface // Nat. Mater. 2015. Vol. 14, № 9. P. 883-888.

131. Шкловский В. А., Кузьменко В.М. Взрывная кристаллизация аморфных веществ // Успехи физических наук. 1989. Vol. 157, № 2. P. 311-338.

132. Pore V. et al. Explosive crystallization in atomic layer deposited mixed titanium oxides // Cryst. Growth Des. 2009. Vol. 9, № 7. P. 2974-2978.

133. Auvert G. et al. Explosive crystallization of a-Si films in both the solid and liquid phases // Appl. Phys. Lett. 1981. Vol. 39, № 9. P. 724-726.

134. Sharma R.K. et al. Electron beam induced explosive crystallization of unsupported amorphous germanium thin films // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55, № 2. P. 387-394.

135. Deshmukh S. et al. Phase transformation pathways in amorphous germanium under indentation pressure // J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115, № 15. P. 0-10.

136. Kurtze D.A. Nonlinear pattern selection in explosive crystallization // Phys. Rev. Lett. 1988. Vol. 60, № 16. P. 1638-1641.

137. Kurtze D.A. Nonlinear development of morphological instabilities in explosive crystallization // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 40, № 16. P. 1110411119.

138. Shklovskij V.A., Ostroushko V.N. Nonlinear resonance study of the periodic motion of the explosive crystallization front in glasses // Phys. Rev. B -Condens. Matter Mater. Phys. 1996. Vol. 53, № 6. P. 3095-3106.

139. Cerny R., Prikryl P. Nonequilibrium model of laser-induced phase change processes in amorphous silicon thin films // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 1998. Vol. 57, № 1. P. 194-202.

140. Albenze E.J., Thompson M.O., Clancy P. Atomistic computer simulation of explosive crystallization in pure silicon and germanium // Phys. Rev. B -Condens. Matter Mater. Phys. 2004. Vol. 70, № 9. P. 1-10.

141. Kouichi M. et al. Explosive Crystallization Starting from an Amorpbous-Silicon Surface Region during Long-Pulse Laser Irradiation // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59, № 19. P. 2203-2206.

142. Thompson M.O. et al. Melting Temperature and Explosive Crystallization of Amorphous Silicon during Pulsed Laser Irradiation // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 1984. Vol. 52, № 26. P. 2360-2363.

143. Boyd G.D., Kleinman D.A. Parametric Interaction of Focused Gaussian Light Beams // J. Appl. Phys. American Institute of Physics, 1968. Vol. 39, № 8. P. 3597-3639.

144. Hong E. et al. Fabrication of Piezoelectric Diaphragm Using Lead Zirconate Titanate (PZT) Films // MRS Proc. 2001. Vol. 687. P. B5.16.

145. Nikolova L. et al. Complex crystallization dynamics in amorphous germanium observed with dynamic transmission electron microscopy // Phys. Rev. B -Condens. Matter Mater. Phys. 2013. Vol. 87, № 6. P. 1-6.

146. Emel'yanov V.I. et al. Nanoscale hydrodynamic instability in a molten thin gold film induced by femtosecond laser ablation // JETP Lett. 2014. Vol. 99, № 9. P. 518-522.

147. Pliewischkies T. et al. Thermal stresses and cracking behavior during laser crystallization of silicon on glass for thin film solar cells // Phys. Status Solidi. 2015. Vol. 212, № 2. P. 317-322.

148. Muralt P. Ferroelectric thin films for micro-sensors and actuators: a review // J. Micromechanics Microengineering. 2000. Vol. 10, № 2. P. 136-146.

149. Yokota H. et al. Optical second harmonic generation microscopy as a tool of material diagnosis // Phys. Res. Int. 2012. Vol. 2012. P. 1-12.

150. Arahira S., Uesu Y. Optical Second-Harmonic Generation in FerroelectricDicalcium Lead Propionate // Journal of the Physical Society of Japan. 1991. Vol. 60, № 7. P. 2461-2469.

151. Yokota H. et al. Second-harmonic generation and x-ray diffraction studies of

the pretransitional region and polar phase in relaxor K(1 -x) Lix Ta O3 // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2007. Vol. 75, № 18. P. 3-4.

152. Pustogowa U. et al. Theory of Nonlinear Magneto-Optics. 1995. Vol. 6177, № 1996. P. 9.

153. Ogawa N. et al. Nonlinear optical detection of a ferromagnetic state at the single interface of an antiferromagnetic LaMnO3/SrMnO3 double layer // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2008. Vol. 78, № 21. P. 26-29.

154. Fiebig M. et al. Observation of couple magnetic and electric domains // Nature. 2002. Vol. 419, № October. P. 818-820.

155. Fiebig M., Pavlov V. V, Pisarev R. V. Second-harmonic generation for studying electronic and magnetic structures of crystals : Review // J. Opt. Soc. Am. B. 2005. Vol. 22, № 1. P. 96-118.

156. Pawley J. Handbook of biological confocal microscopy. Boston, MA: Springer, 2010.

157. Volkert C.A., Minor A.M. Focused Ion Beam Micromachining // MRS Bull. 2007. Vol. 32, № May. P. 389-399.

158. Soergel E. Piezoresponse force microscopy (PFM) // J. Phys. D. Appl. Phys. 2011. Vol. 44, № 46.

159. Kholkin A.L. et al. Review of Ferroelectric Domain Imaging by Piezoresponse Force Microscopy // Scanning Probe Microsc. Electr. Electromechanical Phenom. Nanoscale. 2007. № January. P. 173-214.

160. Balke N. et al. Electromechanical imaging and spectroscopy of ferroelectric and piezoelectric materials: State of the art and prospects for the future // J. Am. Ceram. Soc. 2009. Vol. 92, № 8. P. 1629-1647.

161. Kalinin S. V et al. Local polarization dynamics in ferroelectric materials // Reports Prog. Phys. 2010. Vol. 73, № 5. P. 056502.

162. Shirane G., Suzuki K., Takeda A. Phase Transitions in Solid Solutions of PbZrO 3 and PbTiO 3 (II) X-ray Study // Journal of the Physical Society of

Japan. 1952. Vol. 7, № 1. P. 12-18.

163. Shirane G., Takeda A. "Phase Transitions in Solid Solutions of PbZrO 3 and PbTiO 3 (I) Small Concentrations of PbTiO 3" // Journal of the Physical Society of Japan. 1952. Vol. 7, № 1. P. 5-11.

164. Chen H.D. et al. Electrical properties' maxima in thin films of the lead zirconate-lead titanate solid solution system // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 67. P. 3411.

165. Li M.J. et al. Interband electronic transitions and phase diagram of PbZr1-xTixO3(0.05 < x < 0.70) ceramics: Ellipsometric experiment and first-principles theory // J. Phys. D. Appl. Phys. 2016. Vol. 49, № 27.

166. Qi Z. et al. Inductively coupled plasmas (ICP) etching of PZT thin films for fabricating optical waveguide with photoresist/aluminum bilayer masking // Proc. SPIE. 2015. Vol. 9365. P. 93650Z.

167. Al-Shareef H.N. et al. Electrodes for ferroelectric thin films // Integr. Ferroelectr. 1993. Vol. 3, № 4. P. 321-332.

168. Vijay D.P. Electrodes for PbZr[sub x]Ti[sub 1-x]O[sub 3] Ferroelectric Thin Films // J. Electrochem. Soc. 1993. Vol. 140, № 9. P. 2640.

169. Ramesh R. et al. Ferroelectric La-Sr-Co-O/Pb-Zr-Ti-O/La-Sr-Co-O heterostructures on silicon via template growth // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63, № 26. P. 3592-3594.

170. Hu H., Peng C.., Krupanidhi S.. Effect of heating rate on the crystallization behavior of amorphous PZT thin films // Thin Solid Films. 1993. Vol. 223, № 2. P. 327-333.

171. Pronin V. et al. The change in the phase state of thin PZT layers in the region of the morphotropic phase boundary obtained by the RF magnetron sputtering with varying target // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 387, № 12063.

172. Особенности кристаллизации поликристаллических тонких пленок PZT ,

сформированных на подложке Si/SiO2/Pt // Физика твердого тела. 2010. Vol. 52, № 1. P. 124-128.

173. Kelly P.. J., Arnell R.. D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum. 2000. Vol. 56, № 3. P. 159-172.

174. Musil J. et al. Reactive magnetron sputtering of thin films: Present status and trends // Thin Solid Films. 2005. Vol. 475, № 1-2 SPEC. ISS. P. 208-218.

175. Nur-E-Alam M. et al. Recent developments in magneto-optic garnet-type thin-film materials synthesis // Procedia Eng. Elsevier B.V., 2014. Vol. 76. P. 61 -73.

176. Vijaya M.S. Piezoelectric Materials and Devices. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2013.

177. Maurya D., Sardarinejad A., Alameh K. Recent Developments in R.F. Magnetron Sputtered Thin Films for pH Sensing Applications —An Overview // Coatings. 2014. Vol. 4, № 4. P. 756-771.

178. Елшин А.С., Мишина Е.Д. Фемтосекундная лазерная запись волноводных микроструктур в пленках Pb(Zr,Ti)03 и их характеризация нелинейно-оптическим методом // Журнал Технической Физики. 2018. Vol. 44, № 12. P. 74.

179. Елшин А.С., Абдуллаев Д.А., Мишина Е.Д. Зависимость оптимальных параметров фемтосекундного лазерного отжига пленок цирконата-титанана свинца от их толщины // Физика твердого тела. 2016. Vol. 58, № 6. P. 1118-1123.

180. Elshin A.S., Emel'yanov V.I., Mishina E. Nonlinear Optical Diagnostics of Local Crystallization of Lead Zirconate Titanate Films Using Femtosecond Laser Radiation // Tech. Phys. Lett. 2015. Vol. 41, № 5. P. 418-421.

181. Elshin A.S. et al. Reverse-directional explosive crystallization of microstructures in transparent film on absorbing substrate by a multipulse femtosecond radiation // Solid State Commun. 2015. Vol. 224. P. 5-9.

182. Rakic A.D. et al. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices. // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, № 22. P. 5271-5283.

183. Emel'yanov V.I., Panin I.M. Heat "superemission" and nucleation-front propagation under laser-induced crystallization of thin amorphous films // Appl. Phys. A Solids Surfaces. 1993. Vol. 57, № 6. P. 561-566.

184. Kirby R.K. Platinum - A thermal expansion reference material // Int. J. Thermophys. 1991. Vol. 12, № 4. P. 679-685.

185. Kim S.J., Kim Y.S. State dependent pyroelectric and thermal expansion coefficients in a PZT wafer // Ceram. Int. Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l., 2010. Vol. 36, № 7. P. 2189-2196.

186. Huang Z., Zhang Q., Whatmore R.W. Low temperature crystallization of lead zirconate titanate thin films by a sol-gel method // J. Appl. Phys. 1999. Vol. 85, № 10. P. 7355-7361.

187. Борисова Е. Кинетика кристаллизации и фазовых превращений при термическом отжиге тонких сегнетоэлектрических пленок: Автореф. дис.... канд. физ.-мат. наук. 2000.

188. Detsik V.N. et al. Kinetics of the initial stage in a first-order phase transformation in thin films // Phys. Solid State. 1997. Vol. 39, № 1. P. 104108.

189. Hong E. et al. Fabrication of piezoelectric diaphragm using Lead Zirconate Titanate (PZT) films // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2002. Vol. 687.