Мезоскопическая структура и релаксационная динамика твердых растворов неполярный диэлектрик/сегнетоэлектрик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Вакуленко Александр Феликсович

• Вакуленко Александр Феликсович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Вакуленко Александр Феликсович

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Движение доменной стенки в тонких пленках сегнетоэлектриков

1.1.1 Теоретические основы процессов зарождения и роста СЭ доменов

1.1.2 Обзор экспериментальных работ по исследованию движения

доменной стенки

1.2 Диэлектрические свойства монокристалла PMN в широком частотном и температурном диапазонах

1.3 Процессы переключения поляризации в СЭ фазе PMN

1.4 Сегнетоэлектрический гистерезис в монокристаллах (1-х)РМЫ-(х)РТ

2. Методы исследования

2.1 Метод атомно-силовой микроскопии пьезоотклика

2.2 Метод измерения петель сегнетоэлектрического гистерезиса

средствами АСМП

2.3 Разработка и тестирование устройства для измерения макроскопических сегнетоэлектрических петель гистерезиса

2.3.1 Постановка задачи

2.3.2 Схема и принцип работы устройства

2.3.3 Тестирование разработанного измерителя

2.4 Метод диэлектрической спектроскопии

2.5 Совместное применение методов диэлектрической спектроскопии и атомно -силовой микроскопии пьезоотклика

3. Исследование движения доменной стенки в тонких пленках

цирконата-титаната свинца

3.1 Исследуемые образцы

3.2 Метод измерения скорости движения доменной стенки

3.3 Результаты экспериментов

3.3.1 Исследование движения доменной стенки в тонкой ЦТС пленке, толщиной 20 нм в диапазоне температур от 5 К до 280 К

3.3.2 Исследование движения доменной стенки в тонкой ЦТС пленке, толщиной 60 нм в диапазоне температур от 5 К до 300 К

3.4 Оценка влияния различных факторов на распределение электрического поля в тонкой пленке

3.4.1 Влияние формы зонда на размер доменов

3.4.2 Влияние влажности на размер доменов

3.4.3 Влияние поверхностного заряда

3.4.4 Влияние проводимости поверхности пленки на распределение

электрического поля

3.5 Определение механизма движения доменной стенки

4. Исследование процессов переключения поляризации в

монокристалле РМ^20РТ

4.1 Исследуемые образцы

4.2 Измерения методом атомно-силовой микроскопии пьезоотклика

4.3 Измерения макроскопических петель сегнетоэлектрического гистерезиса

5. Исследование диэлектрических спектров и процессов переключения поляризации монокристалле PMN

5.1 Исследуемые образцы

5.2 Исследование процессов переключения поляризации в сегнетоэлектрической фазе монокристалла РЫК

5.3 Исследование диэлектрической проницаемости в монокристалле РЫК

Заключение

Список публикаций автора по теме диссертации

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мезоскопическая структура и релаксационная динамика твердых растворов неполярный диэлектрик/сегнетоэлектрик»

Актуальность работы

Еще с конца двадцатого века, благодаря особым физическим свойствам, сегнетоэлектрики (СЭ) стали частью многих электронных устройств. Различные сегнетоэлектрические материалы широко используются в промышленности. В область их применения входят такие устройства как ультразвуковые двигатели [1], микронасосы [2], акселерометры и гироскопы [3], радиотехнические и оптические переключатели [4], сонары [5]. В области радиотехники они применяются в качестве варикапов, линий задержки, фильтров. Активно ведется разработка компактных устройств преобразования механической энергии в электрическую [6, 7, 8, 9].

Тонкие пленки сегнетоэлектриков представляют особый интерес благодаря возможности миниатюризации описанных выше устройств и их потенциальному применению в наноэлектронике. Например, в микросхемах энергонезависимой памяти, основанных на возможности сохранять направление поляризации в отсутствии внешнего поля. Подобные возможности положили начало интенсивных исследований, направленных на изучение физических свойств сегнетоэлектрических плёнок. Также было установлено, что доменные стенки подвижны и имеют собственные физические свойства. Этот факт лег в основу нового типа устройств, основанных на движении доменной стенки [10, 11]. Но, несмотря на повышенный интерес к исследованию процессов переключения поляризации и движения доменной стенки в тонких пленках, практически отсутствуют публикации, описывающие свойства подобных систем в достаточно большом диапазоне температур. Хотя зависимость физических свойств от температуры зачастую является основополагающей характеристикой для промышленного применения. В настоящей работе приводятся исследования движения доменной стенки в тонкой пленке цирконата-титаната свинца в диапазоне температур от 5 К до 300 К.

Сегнетоэлектрики-релаксоры (названные в начале «сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом») были открыты более 60 лет назад и с тех пор активно исследуются. Поводом к выделению вновь открытых материалов в отдельную группу послужили, в первую очередь, их особые диэлектрические свойства: вместо четкого критического пика в диэлектрической проницаемости наблюдается широкий максимум, положение и величина которого существенно зависит от измерительной частоты. Структурные исследования релаксоров и, в частности «канонического» соединения -магнониобата свинца Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) не выявили отклонений от кубической симметрии вплоть до гелиевых температур. PMN и его твердые растворы с нормальными сегнетоэлектриками активно изучаются не одно десятилетие [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18], полученные важные теоретические и экспериментальные результаты о диэлектрических и пьезоэлектрических свойствах данных материалов позволили достичь большого продвижения в понимании физических свойств подобных соединений.

Магнониобат свинца и его твердые растворы (1-x)PMN-(x)PT обладают и колоссальной диэлектрической проницаемости и гигантским коэффициентом электромеханической связи в широком интервале температур. Основной отличительной особенностью является сильная частотная дисперсия диэлектрической проницаемости и механических характеристик, что говорит о широком спектре времен релаксации. Эти материалы широко применяется в конденсаторостроении и адаптивной оптике, в частности на космических объектах. Магнониобат свинца считается модельным релаксором и, вероятно, является единственным соединением, в котором не происходит переход в сегнетоэлектрическую фазу даже на очень низких температурах (сохраняет структуру кубического перовскита). Но при этом, в области низких температур может быть переведен в ромбоэдрическую сегнетоэлектрическую фазу внешним электрическим полем, однако процесс этого перехода изучен недостаточно полно. В работе предложена новая методика изучения процессов

перехода в СЭ фазу и переключения направления поляризации, позволившая получить новые сведения об этих процессах.

Твердый раствор PMN с титанатом свинца 0.8РМЫ-0.2РТ обладает высоким коэффициентом пьезоотклика. Работает в моде ё33 (более низкая усталость, чем в ё15). Применяется в гидролокаторах на надводных и подводных судах, актюаторах, адаптивной оптике. Выше температуры Кюри ~ 360 К имеет кубическую структуру (нет пьезоэффекта) ниже ведет себя как нормальный сегнетоэлектрик - имеет спонтанную поляризацию и возможность менять ее направление внешним полем. Несмотря на активное изучение подобных твердых растворов с различными концентрациями титаната свинца, результаты существующих работ едва перекрывают промышленный диапазон температур, которого недостаточно для установления модели зависимости величины коэрцитивного электрического поля от температуры и частоты. В то время как понимание процессов, происходящих в переменных электрических полях в широком интервале температур и частот, необходимо для повышения качества приборов, основанных на подобных соединениях.

Цель и задачи работы

Цель исследования заключалась в определении деталей диэлектрических спектров, параметров, характеризующих связь деформации с приложенным электрическим полем, а также процессов переключения поляризации в материалах с гигантской электромеханической связью при однократных и многократных переключениях электрического поля в широком диапазоне рабочих частот и температур.

Задачи исследований:

1. Определение механизма движения доменной стенки в тонких пленках сегнетоэлектрика цирконата-титаната свинца (PZT), при приложении

внешнего поля зондом атомно-силового микроскопа, в широком диапазоне низких температур.

2. Определение вида функции распределения времен релаксации монокристалла PMN при температурах в области «температуры замораживания». Установление характера изменения параметров диэлектрических спектров в процессе замораживании.

3. Уточнение механизма формирования полярной фазы и переключения поляризации внешним электрическим полем в монокристалле релаксора РМК

4. Определение зависимости величин коэрцитивных электрических полей в монокристалле РМЫ-20РТ от температуры и частоты переключения поляризации.

Научная новизне диссертационной работы

Впервые методом атомно-силовой микроскопии пьезоотклика (АСМП) было исследовано движение доменной стенки в тонких пленках Р7Т в диапазоне температур от 5 К до 300 К при различных напряжениях и длительностях поляризации и различных толщинах плёнок. Было установлено, что скорость движения доменной стенки практически не уменьшается при понижении температуры вплоть до 5 К, что указывает на нетермоактивационный механизм движения стенки.

Впервые исследованы петли сегнетоэлектрического гистерезиса в монокристалле РМ№20РТ в диапазоне температур, достаточно широком для определения формы зависимости величины коэрцитивного электрического поля от температуры и частоты, показано, что данная зависимость нелинейная.

Был разработан и впервые применен метод синхронного измерения пьезоотклика и электрической емкости, с помощью которого были получены новые сведения о процессах перехода между стеклоподобной и сегнетоэлектрической фазами монокристалла PMN (111).

Впервые проведено исследование диэлектрических спектров монокристалла PbMgl/зNЪ2/зOз, когда в едином эксперименте перекрываются 10 порядков измерительной частоты (от 10-4 Гц до 106 Гц) и температурный диапазон от 190 К до 280 К. Показано, что частотный спектр диэлектрической проницаемости может быть с хорошей точностью описан как сумма двух вкладов Коула-Коула. Впервые были получены распределения времен релаксации PMN вблизи температуры замерзания.

Научная и практическая значимость работы

Проведенное исследование процесса движения доменной стенки в тонких пленках сегнетоэлектрика цирконата-титаната свинца методом прямого наблюдения создаваемых СЭ доменов средствами АСМП позволило установить, что данный процесс не является термоактивационным. Установленные в ходе исследования результаты могут привести к пересмотру результатов существующих работ, в рамках которых был использован тот же метод АСМП, но только при комнатной температуре, и для теоретического описания использована термоактивационная модель.

Представленное описание диэлектрического спектра монокристалла PMN (111) впервые позволило производить расчет распределения времен релаксации без применения методов решения обратных некорректных задач.

Предложенный в работе метод синхронного измерения диэлектрической проницаемости и пьезоотклика позволил установить ранее неизвестные особенности процесса переключения поляризации в СЭ фазе монокристалла РМЫ\ Полученные сведения важны, как и для научных исследований, так и для практического использования данного материала.

Подтвержденная и расширенная исследованиями настоящей работы нелинейная модель зависимости коэрцитивного электрического поля от температуры в монокристалле РМЫ-20РТ позволит продвинуться в изучении процессов переключения поляризации подобных твердых растворов.

Положения, выносимые на защиту

1. Переключение направления поляризации в индуцированной полем СЭ фазе монокристалла PMN (111) происходит через формирование промежуточной стеклоподобной фазы, при этом имеется задержка в отклике на приложенное поле, величина которой возрастает при увеличении времени, прошедшего от момента охлаждения кристалла.

2. Частотные спектры комплексной диэлектрической проницаемости монокристалла PMN (111) в диапазоне температур от 180 К до 280 К хорошо описываются двумя независимыми релаксационными процессами, описываемыми выражениями Коула-Коула. Проведенные ультраширокополосные измерения позволяют подтвердить двухмодовый характер распределения времен релаксации в области температуры замораживания.

3. Для низкочастотного процесса зависимость средней частоты от температуры описывается законом Фогеля-Фулчера, однако, в отличие от спиновых стекол, ниже «температуры замерзания» -240 К (но выше Tf - 198K) в монокристалле PMN среднее время релаксации низкочастотного вклада поляризации выходит на насыщение.

4. Скорость движения доменной стенки в тонких пленках PbZr03Ti0.7O3 слабо уменьшается при уменьшении температуры вплоть до 5 К, что указывает на нетермоактивационный механизм движения.

5. Зависимость величины коэрцитивного электрического поля от температуры в монокристалле PMN-20PT в широком интервале температур и частот является нелинейной.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на следующих международных конференциях:

1. International workshop «MODERN NANOTECHNOLOGIES 2016» (IWMN-2016), 2016, Екатеринбург, Россия.

2. 14th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and Young scientists school on the spectroscopic studies of critical dynamics at structural phase transitions. 2018, Санкт-Петербург, Россия

3. International Conference "Scanning Probe Microscopy" (SPM-2018), 2018, Екатеринбург, Россия.

4. International Conference "INTERNATIONAL YOUTH CONFERENCE ON ELECTRONICS, TELECOMMUNICATIONS AND INFORMATION TECHNOLOGIES" (YETI-2020), 2020, Санкт-Петербург, Россия.

5. Доклады на научно-практическом форуме с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург) в 2014, 2015, 2016, 2017 годах.

Список публикаций по теме диссертации

По результатам диссертационного исследования опубликованы 12 работы. Из них - 7 статей в изданиях, входящих в список ВАК и международные базы данных (SCOPUS, Web of Science), 1 статья в других изданиях и 4 труда конференций. Публикации приведены отдельным списком в конце работы.

1. Обзор литературы.

1.1 Движение доменной стенки в тонких пленках сегнетоэлектриков.

1.1.1 Теоретические основы процессов зарождения и роста СЭ доменов.

Сегнетоэлектрические (СЭ) материалы со структурой типа перовскита представляют собой системы, обладающие симметричными эквивалентными состояниями поляризации, разделенными энергетическим барьером и0. На рис.1 представлена зависимость энергии от положения атомов в ячейке перовскита, два минимума соответствуют различным направлениям поляризации. Каждое состояние характеризуется стабильной остаточной поляризацией, обратимой под действием внешнего электрического поля. Внешнее электрическое поле искажает представленную форму потенциальной энергии в пользу одного из направлений и, таким образом, способствует переключению поляризации в соответствующее направление.

Рис. 1. Зависимость потенциальной энергии от положения атомов в ячейке

перовскита [19].

Области сегнетоэлектрика с различными направлениями поляризации (домены) разделены доменными стенками. Согласно термоактивационной теории процесс формирования домена внешним электрическим полем в тонкой сегнетоэлектрической пленке можно разделить на три стадии [20]: 1)

образование зародыша домена; 2) рост этого зародыша сквозь толщину пленки в перпендикулярном подложке (нижнему электроду) направлении; 3) латеральный рост домена за счет движения доменной стенки. Первые два процесса проходят намного быстрее третьего, и за время образования домена обычно принимается только время его латерального расширения.

На доменную стенку в неоднородной среде действуют силы упругости, стремящиеся выравнивать её поверхность, а также силы удержания (пиннинга) в дефектах (рис.2) [21]. Взаимодействие этих сил определяет процесс движения доменной стенки под действием внешнего электрического поля. Выделяются три различных варианта зависимости скорости доменной стенки от величины внешнего поля и температуры.

Рис.2. Схематическая диаграмма движения доменной стенки в неоднородной среде.

Изображение из [21].

При температуре Т = 0 К доменная стенка жестко закреплена локальными неоднородностями и остается неподвижной при внешних полях, меньших некоторой критической величины Ес. При превышении величиной поля критического значения (Е > Ес) происходит депиннинг ("ёертш^") доменной стенки, а скорость ее движения определяется выражением 1.

CREEP

Ее

E

Рис.3. Изображение из [22]: три режима движения доменной стенки в зависимости от температуры T и величины внешнего поля E.

В случае T > 0, скорость движения доменной стенки уже не равна нулю при E < Ec, так как появляется термоактивационный механизм преодоления потенциала пиннигна (режим "Creep" Рис. 3). В таком случае выражение для скорости движения доменной стенки принимает вид (2) (в литературе встречается название «закон Мерца» [19, 20, 23])

электрического поля, Ес - критическая величина внешнего поля, иа - энергия активации, кв - постоянная Больцмана, Т- температура, ц - константа, зависящая от размерности стенки и природы потенциала пиннинга.

v(E) ~ (Е- ЕСУ

(1) (2)

v(E) ~ Е

(3)

где V - скорость движения доменной стенки, Е - величина внешнего

При значительном превышении критической величины E >> Ec скорость движения стенки линейно зависит от величины поля, в соответствии с выражением (3) (режим "flow" Рис. 3).

1.1.2 Обзор экспериментальных работ по исследованию движения доменной стенки.

Кинетика переключения поляризации в сегнетоэлектрических пленках многократно изучена при комнатных температурах [25, 19, 20, 26, 27], также существуют экспериментальные работы с широким диапазоном температур, например [21] (3 К - 300 К) и моделирование методами молекулярной динамики [28].

В рассмотренных ниже экспериментах проводились исследования движения доменных стенок в сегнетоэлектрических пленках методами атомно-силовой микроскопии пьезоотклика (АСМП) и измерения тока переключения поляризации.

В статье [26] описан эксперимент по изучению переключения поляризации в тонких (45-100нм) пленках PbZro.2Tio.8O3. Пленка наносилась на нижний электрод - SrRuO3, подложка - SrTiO3, в качестве верхнего электрода использовалось покрытие из платины (100x100мкм), т. е. в данном случае исследовалась часть пленки, заполняющая образованный конденсатор. Для получения изображений распределения поляризации в пленке применялся метод атомно-силовой микроскопии пьезоотклика. На рис.4 показана схема приложения поляризующих импульсов, согласно которой после перезаписывающего импульса проводится серия последовательных записей и измерений изображений сигнала АСМП. В этом случае записывающие импульсы имеют длительности ii, т2, т3, ..., тп (обычно одинаковые), а время, соответствующее времени записи доменов на n-ой итерации, определяют как tn= т1+т2+т3+.+тп. В данной схеме используется приближение о том, что домены не изменяют свои размеры в промежутках между приложением поляризующих импульсов, т. е. во время сканирования.

РоНпд • РРМ

1таде 1 1таде 2 1таде 3 зсапп,п9

-н-

X

Тз

* = Т1 + г2 + г3"

Рис.4. Изображение из [26]: схема приложения поляризующих импульсов.

Рис.5. Изображение из [26]: А - АСМП изображения распределения поляризации в конденсаторе в зависимости от времени записи при различных амплитудах записывающих импульсов; В - АСМП изображения отдельного домена (запись напряжением -6В) в зависимости от времени записи; С - значения площади домена, показанного на (В), и скорости движения доменной стенки.

На рис.5 показаны три последовательности АСМП изображений распределения поляризации в пленке внутри конденсатора, полученные описанным выше методом. Также там представлена последовательность изображений одного домена в зависимости от времени записи, по таким последовательностям рассчитывается скорость движения доменной стенки в зависимости от времени записи и амплитуды записывающих импульсов. На рис.6 показан график зависимости скорости доменной стенки от величины

электрического поля в линеаризующих координатах. Данная зависимость линейная, что соответствует выражению (2) при ^ = 1.

1000/Я (ст/кУ)

аРР

Рис.6. Изображение из [26]: зависимость средней скорости доменной стенки от 1/Е в полулогарифмических координатах.

В работе [21] было проведено объединение методов измерения тока переключения поляризации и атомно-силовой микроскопии пьезоотклика. Образцом являлась тонкая пленка РЬ(7г,Т1)Оз толщиной 100 нм, находящейся на проводящей подложке БгКиОз, на поверхность пленки был нанесен электрод из платины. Суть метода схожа с описанной выше [26], но кроме измерения размеров доменов по АСМП изображениям, также измерялся ток переключения поляризации.

При приложении к обкладкам плоскопараллельного конденсатора постоянного напряжения, доля площади образца с переключенным направлением поляризации определяется выражением (4) (рис.7.А). Также авторами [21] показана связь между параметром ^ данного выражения со скоростью доменной стенки, движущейся под действием приложенного напряжения (рис.7.Б).

Ар

= 1-е (го)

(4)

где Ар - относительная доля переключенной поляризации, п - параметр размерности системы, и - характерное время переключения.

п

Рис. 7. Изображения из [21]: А - относительная доля переключенной поляризации в объеме плоскопараллельного конденсатора. Б - Связь параметра и со скоростью движения доменной стенки. В - Изображения АСМП (через поверхностный электрод)

образованных в пленке доменов.

Рис. 8. Изображение их [21]: экспериментальные зависимости скорости движения

доменной стенки от температуры и величины электрического поля. Полученная связь позволила провести измерения скорости движения доменной стенки без многократных измерений размеров создаваемых доменов методом АСМП, а более простым методом измерения тока переключения

поляризации в плоском конденсаторе. Не менее важным фактом является то, что поверхностный электрод создает однородное электрическое поле в объеме тонкой пленки (в отличие от зонда АСМ), что значительно повышает точность измерений.

На Рис. 8 представлены результаты измерений из [21]. Общий вид данных зависимостей совпадает с теоретической моделью (Рис. 3). В области высоких электрических полей (E > 1.25 МВ/см) практически отсутствует зависимость от температуры. В области электрических полей, меньших критического (E << 1.0 МВ/см) скорость движения доменной стенки описывается выражением (2).

1.2 Диэлектрические свойства монокристалла PMN в широком частотном и температурном диапазонах.

В 50-х годах 20 века в ходе систематического изучения сложных перовскитоподобных соединений Смоленский и Аграновская [29, 30] открыли новый класс сегнетоэлектриков - сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом. Отличительной чертой таких соединений является широкий частотно зависимый максимум температурной зависимости диэлектрической восприимчивости s(T). Первое неизовалентное соединение c общей формулой РЬ(Б'1/зБ''2/з)Оз - PbNii/3Nb2/3O3 (PNN) было описано в 1958 году. Первые исследования монокристалла PNN, представленные в [31], показали наличие значительной частотной дисперсии в широком частотном диапазоне, что может быть объяснено широким спектром времен релаксации. Это явление привело к изменению первоначального названия «сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом» на более короткое «релаксоры». Магнониобат свинца PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN) считается модельным релаксором и, вероятно, является единственным соединением, в котором в отсутствии внешнего электрического поля не происходит переход в сегнетоэлектрическую фазу даже на очень низких температурах. Релаксор PMN был подробно исследован различными методами, включая диэлектрическую спектроскопию

монокристаллов [32, 12, 14, 33], порошков [34], керамик [35, 36] и тонких плёнок [12]. Существует множество теоретических моделей, описывающих поведение релаксоров (например обзор [37]), но наиболее широко распространены модели, интерпретирующие низкотемпературную фазу как стеклоподобную.

10J 10° 103 10" 108 ю" 10'3 10° 103 10* 10® 10,г

Frequency, Hz Frequency, Hz

Рис.9. Диэлектрические спектры монокристалла PMN, полученные объединением данных различных экспериментов [12].

Очевидно, что для изучения стеклоподобной фазы и процессов замерзания требуются данные диэлектрической спектроскопии на как можно более низких частотах. Впервые диэлектрические спектры PMN в диапазоне милигерц были представлены в работе [32]. В ней были сделаны два основных вывода: (1) вблизи температуры замерзания зависимость среднего времени релаксации тт(Т) не подчиняется закону Аррениуса и (2) ниже этой температуры Tf ~ 230 К среднее время релаксации принимает значение порядка 104 с и перестает изменяться. Экспериментальные результаты [32] были ограничены сверху по частоте величиной 100 Гц. Последующие исследования [38, 39, 14] существенно расширили верхнюю границу частотного диапазона. В работе [12] представлены сводные данные различных

экспериментов, перекрывающих суммарно 15 порядков по частоте (рис 9). Основываясь на этих данных, была предложена модель бимодального представления спектров, учитывающая два релаксационных вклада (и, следовательно, два механизма поляризации) [38, 39, 12, 14]. Анализ температурной эволюции диэлектрических спектров показал наличие замерзания в соответствии с законом Фогеля-Фулчера (Vogel-Fulcher; V-F) [40, 41, 12, 42] (впервые было предложено в [32], но не было проверено количественно).

Несмотря на такое детальное изучение диэлектрических спектров PMN, многие вопросы остаются неразрешенными. Исследования процесса замерзания в модели Фогеля-Фулчера было проведено различными способами, но из-за отсутствия данных о сверхнизкочастотном диапазоне диэлектрических спектров изученный температурный диапазон всегда был выше температуры замерзания. Более того, зависимость тт(Т) не была описана количественно в рамках модели Фогеля-Фулчера (качественно представлена в [12]). Насыщение величины среднего времени релаксации тт ниже температуры замерзания Tf, не было подтверждено проведением исследований для различных частотных пределов.

1.3 Процессы переключения поляризации в СЭ фазе PMN.

Несмотря на более чем полвека истории исследования релаксоров, до сих пор нет четкого определения этих материалов (или релаксорных явлений), но одна из наиболее важных особенностей, отличающих их от классических дипольных стекол - это существование индуцированного электрическим полем фазового перехода в упорядоченную сегнетоэлектрическую фазу, стабильную в определенном интервале температур. Переход в сегнетоэлектрическую фазу может быть достигнут только в полях выше некоторого порогового значения (около 2.2 kV/cm в случае PMN для поля в направлении (111)) [43, 44]. В режиме охлаждения в поле (FC) фазовый переход происходит быстро, в то время как при приложении поля к

предварительно охлажденному без поля кристаллу (Zero Field Cooled (ZFC)) переход от релаксорной к сегнетоэлектрической фазе происходит только после некоторого времени ожидания, которое зависит как от температуры, так и от напряжения.

Впервые проблема влияния постоянного электрического поля была поднята в работе [43], где было показано, что охлаждение кристалла PMN в электрическом поле может привести к разрушению стеклоподобного состояния и возникновению нормальной сегнетоэлектрической фазы. Более детально фазовый переход релаксор - нормальный сегнетоэлектрик был обсужден в работах [44, 12, 13, 14, 45] и была построена фазовая диаграмма [44], в которой была выделена зависящая от предыстории область. Фазовый переход, индуцированный полем в релаксоре, сильно отличается от такового в эргодических системах. Одним из наиболее интересных фактов является наличие крутой границы между сегнетоэлектрической и стекловидной фазами. Было показано, что приложение электрического поля к охлажденному без поля образцу вызывает фазовый переход, происходящий в 2 этапа: (1) логарифмически медленный крип поляризации и деформации, с последующим скачкообразным переходом в упорядоченную фазу [15, 16]. В работах [46, 47, 48] были построены E-T фазовые диаграммы PMN для разных ориентаций. E-Т фазовая диаграмма для случая поля, приложенного в направления (111) представлена на рис.10 [44].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вакуленко Александр Феликсович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dubois M. A., Muralt P. PZT thin film actuated elastic fin micromotor //IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 1998. - Т. 45. -№. 5. - С. 1169-1177.

2. Luginbuhl P. et al. Microfabricated Lamb wave device based on PZT sol-gel thin film for mechanical transport of solid particles and liquids //Journal of Microelectromechanical systems. - 1997. - Т. 6. - №. 4. - С. 337-346.

3. Nemirovsky Y. et al. Design of novel thin-film piezoelectric accelerometer //Sensors and Actuators A: Physical. - 1996. - Т. 56. - №. 3. - С. 239-249.

4. 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, 2001. - Т. 3. - С. 2111-2114.

5. Bernstein J. J. et al. Micromachined high frequency ferroelectric sonar transducers //IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 1997. -T. 44. - №. 5. - C. 960-969.

6. Yang Z., Zu J. Comparison of PZN-PT, PMN-PT single crystals and PZT ceramic for vibration energy harvesting //Energy conversion and management. - 2016. - T. 122. - C. 321-329.

7. Hwang G. T. et al. Self-powered cardiac pacemaker enabled by flexible single crystalline PMN-PT piezoelectric energy harvester //Advanced materials. - 2014. -T. 26. - №. 28. - C. 4880-4887.

8. Ren K. et al. Single crystal PMN-PT/epoxy 1-3 composite for energy-harvesting application //ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 2006. - T. 53. - №. 3. - C. 631-638.

9. Morimoto K. et al. High-efficiency piezoelectric energy harvesters of c-axis-oriented epitaxial PZT films transferred onto stainless steel cantilevers //Sensors and Actuators A: Physical. - 2010. - T. 163. - №. 1. - C. 428-432.

10. Salje E. K. H. Multiferroic domain boundaries as active memory devices: trajectories towards domain boundary engineering //ChemPhysChem. - 2010. - T. 11. - №. 5. - C. 940-950.

11. Catalan G. et al. Domain wall nanoelectronics //Reviews of Modern Physics. -2012. - T. 84. - №. 1. - C. 119.

12. Bovtun V. et al. Broad-band dielectric response of PbMg1/3Nb2/3O3 relaxor ferroelectrics: Single crystals, ceramics and thin films //Journal of the European Ceramic Society. - 2006. - T. 26. - №. 14. - C. 2867-2875.

13. Samara G. A. The relaxational properties of compositionally disordered ABO3 perovskites //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2003. - T. 15. - №. 9. - C. R367.

14. Grigalaitis R. et al. Dielectric dispersion in pure PMN and PMN with 10% PT single crystals //Ferroelectrics. - 2006. - T. 339. - №. 1. - C. 21-28.

15. Zhang Y. et al. Temperature and frequency dependence of the coercive field of 0.71 PbMb1/3Nb2/3O3-0.29 PbTiO3 relaxor-based ferroelectric single crystal //Applied Physics Letters. - 2017. - T. 111. - №. 17. - C. 172902.

16. Rodriguez B. J. et al. Real space mapping of polarization dynamics and hysteresis loop formation in relaxor-ferroelectric PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 solid solutions //Journal of Applied Physics. - 2010. - T. 108. - №. 4. - C. 042006.

17. Shvartsman V. V., Kholkin A. L. Polar structures of PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 relaxors: piezoresponse force microscopy approach //Journal of Advanced Dielectrics. - 2012. - T. 2. - №. 02. - C. 1241003.

18. Zelenovskiy P. et al. Micro-Raman imaging of ferroelectric domain structures in the bulk of PMN-PT single crystals //Crystals. - 2019. - T. 9. - №. 2. - C. 65.

19. Tybell T. et al. Domain Wall Creep in Epitaxial Ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 Thin Films //Physical review letters. - 2002. - T. 89. - №. 9. - C. 097601.

20. Pertsev N. A. et al. Dynamics of ferroelectric nanodomains in BaTiO3 epitaxial thin films via piezoresponse force microscopy //Nanotechnology. - 2008. - T. 19. - №. 37. - C. 375703.

21. Jo J. Y. et al. Nonlinear dynamics of domain-wall propagation in epitaxial ferroelectric thin films //Physical review letters. - 2009. - T. 102. - №. 4. - C. 045701.

22. Chauve P., Giamarchi T., Le Doussal P. Creep and depinning in disordered media //Physical Review B. - 2000. - T. 62. - №. 10. - C. 6241.

23. Merz W. J. Domain formation and domain wall motions in ferroelectric BaTiO3 single crystals //Physical Review. - 1954. - T. 95. - №. 3. - C. 690.

24. Wu F. et al. Optical properties and dispersions of rhombohedral 0.24Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.49Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.27PbTiO3 single domain single crystal //Optical Materials. - 2013. - T. 36. - №. 2. - C. 342-345.

25. Ganpule C. S. et al. Polarization relaxation kinetics and 180 domain wall dynamics in ferroelectric thin films //Physical Review B. - 2001. - T. 65. - №. 1. - C. 014101.

26. Yang S. M. et al. Domain wall motion in epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 capacitors investigated by modified piezoresponse force microscopy //Applied Physics Letters.

- 2008. - Т. 92. - №. 25. - С. 252901.

27. Киселев Д. А. и др. Кинетика роста индуцированных доменов в сегнетоэлектрических тонких пленках Ba0.8Sr0.2Ti03 //Физика твёрдого тела.

- 2015. - Т. 57. - №. 6. - С. 1134-1137.

28. Liu S., Grinberg I., Rappe A. M. Intrinsic ferroelectric switching from first principles //Nature. - 2016. - Т. 534. - №. 7607. - С. 360-363.

29. Smolenskii G. A., Isupov V. A. SEGNETOELEKTRICHESKIE SVOISTVA TVERDYKH RASTVOROV STANNATA BARIYA V TITANATE BARIYA //Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. - 1954. - Т. 24. - №. 8. - С. 1375-1386.

30. Smolensky G. A. et al. Ferroelectrics and Related Materials. - 1984.

31. Smolenskii G. A. et al. Ferroelectrics with diffuse phase transitions //Soviet Physics-solid state. - 1961. - Т. 2. - №. 11. - С. 2584-2594.

32. Colla E. V. et al. Low-frequency dielectric response of PbMg1/3Nb2/3O3 //Journal of Physics: Condensed Matter. - 1992. - Т. 4. - №. 13. - С. 3671.

33. Jablonskas D. et al. Broadband dielectric spectra in PbMg1/3Nb2/3O3 crystals with chemical order modified by La doping //Applied Physics Letters. - 2015. - Т. 107.

- №. 14. - С. 142905.

34. Grigalaitis R. et al. Size effects in a relaxor: further insights into PMN //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2014. - Т. 26. - №. 27. - С. 272201.

35. Grigalaitis R. et al. Broadband dielectric spectroscopy of PbMg1/3Nb2/3O3-PbSc1/2Nb1/2O3 ceramics //Journal of the European Ceramic Society. - 2010. - Т. 30. - №. 2. - С. 613-616.

36. Bormanis K. et al. Relaxation of polarization at the broad phase transition in modified PMN ferroelectric ceramics //Ferroelectrics. - 2013. - Т. 442. - №. 1. - С. 137-143.

37. Cowley R. A. et al. Relaxing with relaxors: a review of relaxor ferroelectrics //Advances in Physics. - 2011. - Т. 60. - №. 2. - С. 229-327.

38. Bovtoun V. P., Leshchenko M. A. Two dielectric contributions due to domain/cluster structure in the ferroelectrics with diffused phase transitions //Ferroelectrics. - 1997. - Т. 190. - №. 1. - С. 185-190.

39. Bovtun V. et al. Structure of the dielectric spectrum of relaxor ferroelectrics //Journal of the European Ceramic Society. - 2001. - Т. 21. - №. 10-11. - С. 13071311.

40. Tagantsev A. K. Vogel-Fulcher relationship for the dielectric permittivity of relaxor ferroelectrics //Physical review letters. - 1994. - Т. 72. - №. 7. - С. 1100.

41. Glazounov A. E., Tagantsev A. K. Direct evidence for Vögel-Fulcher freezing in relaxor ferroelectrics //Applied physics letters. - 1998. - Т. 73. - №. 6. - С. 856858.

42. Pirc R., Kutnjak Z. Freezing in relaxor ferroelectrics and dipolar glasses //Phase Transitions. - 2015. - Т. 88. - №. 3. - С. 222-233.

43. Sommer R., Yushin N. K., Van der Klink J. J. Polar metastability and an electric-field-induced phase transition in the disordered perovskite Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 //Physical Review B. - 1993. - Т. 48. - №. 18. - С. 13230.

44. Колла Е. В. и др. Свойства индуцированной полем сегнетоэлектрической фазы в монокристалле магнониобата свинца //Физика твердого тела. - 1996. -Т. 38. - №. 7. - С. 2183-2194.

45. Novak N., Pirc R., Kutnjak Z. Impact of the electric field on the freezing dynamics of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 //Ferroelectrics. - 2012. - Т. 426. - №. 1. - С. 31-37.

46. Zhao X. et al. Electric field-induced phase transitions in (111)-,(110)-, and (100)-oriented Pb (Mg 1/ 3 Nb 2/ 3) O 3 single crystals //Physical Review B. - 2007. - Т. 75. - №. 10. - С. 104106.

47. Raevski I. P. et al. ET phase diagrams for PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 single crystals //Ferroelectrics. - 2006. - Т. 339. - №. 1. - С. 137-146.

48. I. P. Raevski, S. A. Prosandeev, A. S. Emelyanov, S.I. Raevskaya, Eugene V. Colla, D. Viehland, W. Kleemann, S. B. Vakhrushev, J-L. Dellis, M. El Marssi, L. Jastrabik. Physical Review B. 72, 184104 (2005).

49. Novak N., Kutnjak Z. Hysteresis of Field-Induced Ferroelectric Transition in Pb (Mg1/3Nb2/3) O3 Relaxor Ferroelectrics //Ferroelectrics. - 2013. - Т. 447. - №. 1. - С. 40-45.

50. Colla E. V. et al. Field induced kinetic ferroelectric phase transition in lead magnoniobate //Ferroelectrics. - 1996. - Т. 184. - №. 1. - С. 209-215.

51. Raye J. K., Smith R. C. A temperature-dependent hysteresis model for relaxor ferroelectric compounds //Smart Structures and Materials 2004: Modeling, Signal Processing, and Control. - International Society for Optics and Photonics, 2004. -Т. 5383. - С. 1-10.

52. Sun E. et al. Relaxation behavior in 0.24Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.49Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.27PbTiO3 ferroelectric single crystal //Ceramics International. - 2016. - Т. 42. - №. 4. - С. 4893-4898.

53. Chen I. W., Wang Y. A domain wall model for relaxor ferroelectrics //Ferroelectrics. - 1998. - Т. 206. - №. 1. - С. 245-263.

54. Vopsaroiu M. et al. Thermally activated switching kinetics in second-order phase transition ferroelectrics //Physical Review B. - 2010. - Т. 82. - №. 2. - С. 024109.

55. Анкудинов А. В., Титков А. Н. Атомно-силовая микроскопия поляризационных доменов в сегнетоэлектрических пленках //Физика твердого тела. - 2005. - Т. 47. - №. 6. - С. 1111.

56. Jesse S., Baddorf A. P., Kalinin S. V. Switching spectroscopy piezoresponse force microscopy of ferroelectric materials //Applied physics letters. - 2006. - Т. 88. - №. 6. - С. 062908.

57. Miao H. et al. More ferroelectrics discovered by switching spectroscopy piezoresponse force microscopy? //EPL (Europhysics Letters). - 2014. - Т. 108. -№. 2. - С. 27010.

58. Sawyer C. B., Tower C. H. Rochelle salt as a dielectric //Physical review. -1930. - Т. 35. - №. 3. - С. 269.

59. Tylczynski Z. A collection of 505 papers on false or unconfirmed fer roelectric properties in single crystals, ceramics and polymers //Frontiers of Physics. -2019. - Т. 14. - №. 6. - С. 1-38.

60. Ode L. et al. The Electrical Hysteresis Loop and Polarization Value of BaZrxTi1-xO3 Multilayer Films Material at Different Annealing Temperature (x= 0.1 and 0.08) based on Sawyer Tower Circuit //2014 International Conference on Physics and its Applications (ICOPIA-14). - Atlantis Press, 2014. - С. 41-48.

61. Печерская Е. А. Применение метода Сойера-Тауэра и его модификаций для измерения электрических параметров сегнетоэлектриков //Измерительная техника. - 2007. - №. 10. - С. 54-58.

62. Fukunaga M., Noda Y. New technique for measuring ferroelectric and antiferroelectric hysteresis loops //Journal of the Physical Society of Japan. - 2008. - Т. 77. - №. 6. - С. 064706-064706.

63. Fina I. et al. Nonferroelectric contributions to the hysteresis cycles in manganite thin films: A comparative study of measurement techniques //Journal of Applied Physics. - 2011. - Т. 109. - №. 7. - С. 074105.

64. Liu J. et al. Study on the polarization and relaxation processes of ferroelectric polymer films using the Sawyer-Tower circuit with square voltage waveform //The Journal of Physical Chemistry C. - 2017. - Т. 121. - №. 23. - С. 1253112539.

65. Wongdamnern N. et al. Dynamic ferroelectric hysteresis scaling of BaTiO 3 single crystals //Journal of Applied Physics. - 2009. - Т. 105. - №. 4. - С. 044109.

66. Kaatze, U.: Measuring the dielectric properties of materials. Ninety-year development from low-frequency techniques to broadband spectroscopy and high-frequency imaging. Measurement Science and Technology, 24(1), 012005 (2012).

67. Bokov A. A. et al. Compositional disorder, polar nanoregions and dipole dynamics in Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-based relaxor ferroelectrics. - 2011.

68. Chang W. Y. et al. Patterned nano-domains in PMN-PT single crystals //Acta Materialia. - 2018. - Т. 143. - С. 166-173.

69. Wang J. H. Top electrode size effects in the piezoresponse force microscopy of piezoelectric thin films attached to a rigid substrate //Smart Materials and Structures.

- 2017. - T. 26. - №. 10. - C. 105045.

70. Dahan D. et al. Ferroelectric domain inversion: The role of humidity //Applied physics letters. - 2006. - T. 89. - №. 15. - C. 152902.

71. Kawada S., Niinuma J. Curie-Weiss behavior of the static dielectric constant of the debye component in Ice Ih //Journal of the Physical Society of Japan. - 1977. - T. 43. - №. 2. - C. 715-716.

72. Haccart T., Cattan E., Remiens D. Dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of sputtered PZT thin films on Si substrates: influence of film thickness and orientation //Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. -2002.

73. Morioka H. et al. Effect of film thickness on ferroelectric domain structure and properties of Pb(Zr0.35Ti0.65)03/SrRu03/SrTi03 heterostructures //Journal of materials science. - 2009. - T. 44. - №. 19. - C. 5318-5324.

74. Balke N. et al. Differentiating ferroelectric and nonferroelectric electromechanical effects with scanning probe microscopy //ACS nano. - 2015. - T. 9. - №. 6. - C. 6484-6492.

75. Yan Y., Geng Y., Hu Z. Recent advances in AFM tip-based nanomechanical machining //International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2015. - T. 99. - C. 1-18.

76. Zhang F. et al. Investigation of AFM-based machining of ferroelectric thin films at the nanoscale //Journal of Applied Physics. - 2020. - T. 127. - №. 3. - C. 034103.

77. Celano U. et al. Mesoscopic physical removal of material using sliding nano-diamond contacts //Scientific reports. - 2018. - T. 8. - №. 1. - C. 1-10.

78. Hong S. et al. Three-dimensional ferroelectric domain imaging of bulk Pb (Zr, Ti) O 3 by atomic force microscopy //Applied physics letters. - 2004. - T. 84. - №. 13.

- C. 2382-2384.

79. Soergel E. Piezoresponse force microscopy (PFM) //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2011. - T. 44. - №. 46. - C. 464003.

80. Guan Z. et al. Identifying intrinsic ferroelectricity of thin film with piezoresponse force microscopy //AIP Advances. - 2017. - T. 7. - №. 9. - C. 095116.

81. Jungk T., Hoffmann A., Soergel E. Quantitative analysis of ferroelectric domain imaging with piezoresponse force microscopy //Applied physics letters. - 2006. - T. 89. - №. 16. - C. 163507.

82. Collins L. et al. Quantitative electromechanical atomic force microscopy //ACS nano. - 2019. - T. 13. - №. 7. - C. 8055-8066.

83. Liu Y. et al. Variation of contact resonance frequency during domain switching in PFM measurements for ferroelectric materials //Journal of Materiomics. - 2020. -T. 6. - №. 1. - C. 109-118.

84. Tagantsev A. K., Cross L. E., Fousek J. Domains in ferroic crystals and thin films.

- New York : Springer, 2010. - T. 13. - C. 822.

85. Lilienblum M., Soergel E. Anomalous domain inversion in LiNbO3 single crystals investigated by scanning probe microscopy //Journal of Applied Physics. - 2011. -T. 110. - №. 5. - C. 052018.

86. Perantie J. et al. Electrocaloric properties in relaxor ferroelectric (1- x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-xPbTiO3 system //Journal of Applied Physics. - 2013. - T. 114.

- №. 17. - C. 174105.

87. Smith R. C. et al. A free energy model for hysteresis in ferroelectric materials //Journal of intelligent material systems and structures. - 2003. - T. 14. - №. 11. -C. 719-739.

88. Vakhrushev S. B., Kiat J. M., Dkhil B. X-ray study of the kinetics of field induced transition from the glass-like to the ferroelectric phase in lead magnoniobate //Solid state communications. - 1997. - T. 103. - №. 8. - C. 477-482.

89. Kalmykov Y. P. et al. Microscopic models for dielectric relaxation in disordered systems //Physical Review E. - 2004. - T. 70. - №. 4. - C. 041103.

90. Zic M. et al. Adaptive multi-parameter regularization approach to construct the distribution function of relaxation times //GEM-International Journal on Geomathematics. - 2020. - T. 11. - №. 1. - C. 1-23.

91. Havriliak S., Negami S. A complex plane representation of dielectric and mechanical relaxation processes in some polymers //Polymer. - 1967. - T. 8. - C. 161-210.

92. Cole K. S., Cole R. H. Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics //The Journal of chemical physics. - 1941. - T. 9. - №. 4. - C. 341351.

93. Aslani F., Sjogren L. Relaxation rate distribution from frequency or time dependent data //Chemical physics. - 2006. - T. 325. - №. 2-3. - C. 299-312.

94. Florsch N., Camerlynck C., Revil A. Direct estimation of the distribution of relaxation times from induced-polarization spectra using a Fourier transform analysis //Near Surface Geophysics. - 2012. - T. 10. - №. 6. - C. 517-531.