Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Шебунина, Анна Владимировна

• Шебунина, Анна Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шебунина, Анна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА.

1.1. Доменная структура сегнетоэлектрических кристаллов.

1.2. Генерация второй гармоники в нелинейных кристаллах.

1.3. Особенности нелинейнооптических свойств сегнетоэлектрических кристаллов РЬТЮ3.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Аппаратное обеспечение экспериментов по генерации второй гармоники.

2.1.1. Требования к экспериментальной установке.

2.1.2. Устройство, доработка и настройка лазера на алюмоиттриевом гранате.

2.1.3. Общая схема экспериментальной установки.

2.1.4. Образцы кристаллов.

2.2. Методика измерения углового распределения интенсивности второй оптической гармоники.

2.3. Методика измерения температурных зависимостей интенсивности второй оптической гармоники.

Глава 3. МИКРОДОМЕННАЯ СТРУКТУРА

В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ PbTi03 И В ПРОВОДЯЩИХ КРИСТАЛЛАХ BaTi03.

3.1. Геометрия экспериментов по исследованию второй гармоники.

3.2. Угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTi03.

3.3. Угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники в проводящих сегнетоэлектрических кристаллах ВаТЮ3.

3.4. Расчет параметров микродоменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах.

3.3.1. Расчет численных значений вектора qst и периода Ast стационарных микродоменных структур для сегнетоэлектрических кристаллов PbTi03.

3.3.2. Расчет численных значений вектора стационарной микродоменной структуры qst и периода стационарной микродоменной структуры Ast для проводящих сегнетоэлектрических кристаллов ВаТЮ3. Ю

3.5. Определение направления вектора спонтанной поляризации в отдельном домене в сегнетоэлектрических кристаллах

РЬТЮз и ВаТЮз.

3.6. Зависимость излучения второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз и BaTi от интенсивности волны накачки.

3.7. Температурная зависимость интенсивности второй оптической гармоники в кристаллах PbTi03.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3»

После того, как были созданы принципиально новые мощные источники когерентного светового излучения - лазеры, начала бурно развиваться нелинейная оптика. Генерация второй гармоники в сегнетоэлектриках оказалась удобным инструментом для изучения доменной структуры и других эффектов в сегнетоэлектрических кристаллах. В лазерном пучке напряженность электрического поля световой волны

7 R достигает 10 - 10 —, для сравнения напряженность внутриатомного поля см

- 109—. При такой напряженности отчетливо проявляются см нелинейнооптические эффекты в различных средах.

Обнаружению и исследованию нелинейнооптических эффектов, таких как электрооптический эффект, генерация суммарных и разностных частот, генерация второй гармоники посвящено достаточно много работ. В настоящей диссертации показано, что с помощью генерации второй оптической гармоники можно обнаружить микродоменную структуру, период которой соизмерим с длиной волны света в сегнетоэлектрических кристаллах PbTi03 и BaTi03.

В настоящее время известно достаточно много методов исследования доменной структуры. К их числу относятся: поляризационный метод, оптическое вращение, метод заряженных порошков, сравнение фигур травления, электронная микроскопия и т.д. Выбор того или иного метода зависит от материала, геометрии кристалла, а также от необходимости определения поляризации доменов. Метод генерации второй оптической гармоники открыл дополнительные возможности для изучения доменной структуры сегнетоэлектриков. Наблюдение генерации второй гармоники в отдельном домене, при знании элементов тензора d^ для кристаллов данной симметрии, дает возможность по интенсивности и поляризации получаемого излучения определять направление вектора спонтанной поляризации Ps. Наблюдение максимумов излучения второй гармоники под определенными углами по отношению к лучу накачки дает возможности изучить микродоменную структуру кристаллов.

Актуальность исследования. В последнее время наблюдается возрастание интереса к сегнетоэлектрикам в связи с использованием их в технических устройствах: управления световыми лучами (модуляции, демодуляции), в лазерных устройствах, компьютерной памяти. Сегнетоэлектрики используются в качестве плавающего затвора в полевом транзисторе, что привело к появлению термина "сегнетоэлектрический транзистор". Функционирование этих устройств требует понимания процессов переключения сегнетоэлектрика, а эти процессы непосредственно связаны с доменными и микродоменными структурами. Под термином "микродоменные структуры сегнетоэлектриков" подразумеваются мелкие доменные структуры с периодами, соизмеримыми с длиной волны света, обладающие выраженной периодичностью. Причины появления таких структур могут сильно отличаться от причин, приводящих к появлению доменов больших размеров. Изучение различных микродоменных структур является, таким образом, актуальным для создания технических устройств современной микроэлектроники.

Существует много методов исследования доменных структур сегнетоэлектриков. К их числу относятся: метод травления, метод заряженных порошков, оптический метод и т. д. С помощью перечисленных методов можно изучать макродоменные структуры сегнетоэлектрических кристаллов. Это домены с размерами в десятки, сотни и более микрон. Применение метода генерации второй оптической гармоники открыло некоторые дополнительные возможности в изучении микродоменных структур сегнетоэлектриков. Наблюдение генерации второй оптической гармоники дает информацию о микродоменных структурах кристаллов, которую трудно получить с помощью непосредственного наблюдения, так как периоды этих структур близки к пределу возможностей оптических методов.

Объект исследования. В настоящей работе объектами исследования являются сегнетоэлектрические кристаллы PbTi03 и проводящие кристаллы ВаТЮ3. Выбор соответствующих кристаллов объясняется тем, что эти материалы еще не исследовались методом второй оптической гармоники. Кристаллы РЬТЮз, также как и кристаллы BaTi03 не обладают естественным синхронизмом, но одинаковость точечных и пространственных классов симметрии позволяет предположить существование микродоменных структур, а, следовательно, возможность генерации второй гармоники.

Титанат бария и титанат свинца являются одними из наиболее изученных сегнетоэлектрических материалов. Эти кристаллы принадлежат к одному классу симметрии: 4mm - точечная группа симметрии, P4mm -пространственная. Для кристаллов ВаТЮз и PbTi03 изучены нелинейно-оптические свойства, температурные зависимости двулучепреломления, диэлектрической проницаемости, удельной теплоемкости, спонтанной поляризации. Подробно изучена доменная структура этих сегнетоэлектриков [1, 2, 4-9, 15, 21, 23, 93]. Показано, что наряду со 180-градусными доменными стенками существуют и 90-градусные стенки. Для непроводящих кристаллов ВаТЮ3 известны диаграмма направленности углового распределения интенсивности второй оптической гармоники и период микродоменной структуры, на которой происходит рассеяние света [60]. Период этой структуры составляет примерно 3 мкм.

Научная новизна. Исследованию генерации второй гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах посвящен ряд работ [23, 52, 53, 59-63, 66-72]. В работе [60] получены результаты по генерации второй гармоники в непроводящих кристаллах BaTi03.

В отличие от большинства работ, посвященных изучению доменного строения и генерации второй оптической гармоники в непроводящих кристаллах ВаТЮ3, в настоящей диссертации исследовались методом генерации второй оптической гармоники сегнетоэлектрические кристаллы РЬТЮз и проводящие кристаллы ВаТЮ3. На основе экспериментальных результатов установлено, что в кристаллах РЬТЮ3 и в проводящих кристаллах ВаТЮ3 существуют микродоменные структуры с различными значениями периодов, причем в проводящих кристаллах ВаТЮ3 некоторые значения периодов зависят от температуры.

Построена модель, описывающая микродоменную структуру соответствующих сегнетоэлектриков. Исходя из углового распределения интенсивности второй оптической гармоники, рассчитаны периоды и ориентации микродоменных структур в титанате свинца и в проводящих кристаллах титаната бария, обеспечивающих появление второй гармоники.

В работе [89] обнаружены аномалии диэлектрических свойств PbTi03 в температурном интервале 100-200°С. В данной работе экспериментально показано, что в указанном температурном интервале существуют и аномалии в генерации второй оптической гармоники в кристаллах титаната свинца.

Сделан вывод о существовании более сложной и разнообразной микродоменной структуры в сегнетоэлектрических кристаллах титаната свинца и в проводящих кристаллах титаната бария, по сравнению с непроводящими кристаллами титаната бария.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В сегнетоэлектрических кристаллах титаната свинца существуют квазипериодические стационарные микродоменные структуры с тремя различными значениями периода структуры и направлениями вектора структуры.

2. В кристаллах титаната свинца в течение длительного хранения (несколько месяцев) площадь микродоменных структур, ответственных за генерацию второй гармоники, имеет тенденцию к увеличению, что говорит об энергетической выгодности этих структур.

3. В проводящих кристаллах титаната бария существует микродоменная структура, период которой зависит от температуры. С ростом температуры этот период уменьшается от 3,1 мкм до 1,9 мкм, что проявляется в смещении максимума излучения второй гармоники в сторону увеличения угла.

4. Построена полуколичественная модель, описывающая полученные экспериментальные результаты. Согласно этой модели векторы стационарных микродоменных структур направлены вдоль определенных кристаллографических плоскостей и направлений.

Основные положения, выносимые на защиту, раскрыты в следующих публикациях:

1. Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Шебунина А.В. К исследованию доменной структуры в сегнетоэлектриках методом генерации второй оптической гармоники. //Изв. АН. Сер. физ., 8, 2003. - Том 67. -С.1198-1200.-0,19/0,06 п.л.

2. Шебунина А.В., Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности генерации второй оптической гармоники в сегнетоэлектриках РЬТЮ3 и ВаТЮ3. //Материалы Международной научно-практической школы-конференции «Пьезотехника-2003». М., 26-29 ноября, 2003. - С.36-39. - 0,25/0,06 п.л.

3. Бурсиан Э.В., Шебунина А.В., Рычгорский В.В. Влияние температуры на угловое распределение второй гармоники в проводящих кристаллах ВаТЮ3. //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков». СПб., 23-27 мая, 2004. - С.69. - 0,06/0,02 п.л.

5. Бурсиан Э.В., Шебунина А.В., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности углового распределения второй оптической гармоники и доменной структуры в PbTi03. //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков». СПб., 23-27 мая, 2004. - С.252-254. -0,19/0,05 п.л.

5. Шебунина А.В., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Угловое распределение интенсивности второй гармоники в кристаллах титаната свинца. //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов». СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.78-79. -0,13/0,04 п.л.

6. Шебунина А.В., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Зависимость излучения второй гармоники в кристаллах титаната свинца от интенсивности возбуждающей волны //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.79-81. - 0,19/0,06 п.л.

Статьи 1-4 написаны в соавторстве с Э.В.Бурсианом (постановка задачи, обсуждение результатов, общее руководство), статьи 1 - 6 - с В.В.Рычгорским (обсуждение результатов, изготовление и наладка обслуживающей установку электроники, общее руководство), статьи 2, 4, 5, 6 - с В.В.Масловым (обсуждение результатов). Автором полностью выполнена экспериментальная часть работы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Шебунина, Анна Владимировна

Основные результаты исследования состоят в следующем.

-- 1. Экспериментально установлено, что в сегнетоэлектрических кристаллах

РЬТЮз существуют квазипериодические стационарные микродоменные структуры с тремя различными значениями периода структуры Ast и направлениями вектора структуры qst. Для углов рассеяния света

11° qsl лежит в кристаллографической плоскости (ill), период структуры при этом равен Ast =2,3 мкм. В случае, когда углы рассеяния света (pv = ±9°, qst совпадает с кристаллографическим направлением l Ol], Ast =2,5 мкм. Для случая, когда угол рассеяния света (pv = +30°, qst составляет угол 80° с кристаллографической плоскостью (ill), мкм.

2. Экспериментально исследовано поведение второй оптической гармоники в кристаллах РЬТЮз в зависимости от температуры. Оказалось, что в РЬТЮз после длительного хранения (несколько месяцев) при первом нагревании в температурном интервале 100-200°С интенсивность второй оптической гармоники уменьшается примерно в четыре раза. Это свидетельствует о том, что площадь микродоменной структуры, ответственной за генерацию второй гармоники, имеет тенденцию к увеличению в течение длительного хранения, что проявляется в существенной разнице прямого и обратного температурного хода интенсивности второй гармоники. Повторный нагрев кристалла уже не обнаруживает этой аномалии.

3. Экспериментально показано, что в проводящих сегнетоэлектрических ^ кристаллах ВаТЮ3 период микродоменной структуры зависит от температуры. С ростом температуры этот период уменьшается от 3,1 мкм до 1,9 мкм, что проявляется в смещении максимума излучения второй гармоники в сторону увеличения угла. 4. Для объяснения полученных результатов предложена модель, согласно которой направление вектора структуры qsl приближается к какому-либо кристаллографическому направлению или к кристаллографической плоскости. Период структуры, необходимой для обеспечения волнового синхронизма в кристаллах РЬТЮз и ВаТЮ3, составляет Ast =1-3 мкм. Конкретное значение периода структуры Ast зависит от того, вдоль какого кристаллографического направления или кристаллографической плоскости направлен вектор стационарной микродоменной структуры qst.

Полученные результаты докладывались на XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 2002), на Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург, 2002), на Международной научно-практической конференции «Пьезотехника-2003» (Москва, 2003), на X Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2004) и на семинарах кафедры физической электроники РГПУ имени А.И.Герцена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шебунина, Анна Владимировна, 2006 год

1. Merz W.J. Ferroelectric domains of a barium titanate single crystals. //J. Appl. Phys, 10, 1954. - Vol. 25. - P. 1946.

2. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы. М.: Мир, 1965.

3. Fejer М.М., Magel G.A., Jundt D.H., Byer R.L. Qoasi-phase-matched second harmonic generation: tuning and tolerances. //IEEE Journ. of Quantum Electronics, 1992. Vol. 28. - P. 2631 -2654.

4. Фесенко Е.Г., Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф. Доменная структура многоосных сегнетоэлектрических кристаллов. Ростов-на-Дону: Издательство ростовского университета, 1990.

5. Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф., Фесенко Е.Г. Экранирование спонтанной поляризации в кристаллах титаната свинца. //ФТТ, 4, 1996. -Том 38.-С. 1076-1080.

6. Экнадиосянц Е.И., Бородин В.З., Пинская А.Н., Еремкин В.В., Смотраков В.Г. 90-градусное двойникование в некоторых кристаллах семейства перовскита. //Кристаллография, 6, 1997. Том 42. -С. 1105-1108.

7. Masaaki Takashige, Sinlchi Hamazaki, Naoko Tashiro, Fuminao Shimizu and Min Su Jang. Atomic force microscope observation of 90° domain structure in the crystallized grains from amorphous PbTi03. //Jap. J. Appl. Phys., 9B, 1998.-Vol. 37.-C. 5397-5399.

8. Chen-Chia Chou and Cheng-Sao Chen. Banded structure and domain arrangements in PbTi03 single crystals. //Jap. J. Appl. Phys., 9B, 1998. -Vol. 37.-C. 5394-5396.

9. Fesenko E.G., Martynenko M.A., Gavrilyatchenko V.G. and Semenchev A.F. Phase transition and switching in lead titanate crystals. //Ferroelectrics, 1974.-Vol. 7.-P. 309-310.

10. Fesenko E.G., Semenchev A.F. and Gavrilyatchenko V.G. The switching of PbTi03 crystals. //Ferroelectrics, 1-4, 1976. Vol. 13. - P. 471-473.

11. Yufatova S.M., Sindeyev Tu.G., Gavrilyatchenko V.G., Fesenko E.G. Different kinetic types of phase transformation in lead titanate. //Ferrotlectics, 1-4, 1980.-Vol. 26.-P. 809-812.

12. Lehnen P., Dec J., Kleemann W. Ferroelectric domain structures of PbTi03 studied by scanning force microscopy. //J. Phys. D., 15, 2000. Vol. 33. -P. 1932-1936.

13. Meyer В., Vanderbilt David. Initio study of ferroelectric domain walls in PbTi03.//Phys. Rev. B, 10, 2002.-Vol. 65.-P. 104111/1-104111/11.

14. Фесенко Е.Г., Гавриляченко В.Г., Спинко Р.И. Выращивание кристаллов титаната свинца и исследование их доменного строения. //Кристаллография, 1972.-Том 17.-С. 153-157.

15. Lu C.J., Shen Н.М., Zhu Y.P., Ren S.B, Wang Y.N. X-ray diffraction study on the grain-size-dependences of orientation and 90°-domain structure in oriented PbTi03 thin films on (111) Pt. //Materials Letters, 1997. Vol. 31. -P. 189-193.

16. Moarthy Ganesa S., Balakumar S., Subramanian C., Ramasamy P. Ferroelectric domain structure studies on PbTi03 single crystals by polarizing microscope, electron microscope and atomic force microscope. //Ferroelectrics, 1-4, 1999. Vol. 231. - P. 49-54.

17. Семенчев А.Ф., Гавриляченко В.Г., Фесенко Е.Г. Влияние освещения на процесс 180-градусной переполяризации монокристаллов PbTi03. //ФТТ, 2, 1993.-Том 35.-С. 370-375.

18. Экнадиосянц Е.И., Пилская А.Н., Бородин В.З. Доменная структура сегнетомягких керамик на основе цирконата-титаната свинца. //Кристаллография, 3, 1999. Том 44. - С. 502-507.

19. Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф., Фесенко Е.Г. Формирование 180°-доменной структуры в кристаллах титаната бария при фазовом переходе.//ФТТ, 10, 1986.-Том 12. С. 3126-3131.

20. Borodina V.A. Formation of a periodic domain structure in a-domain ВаТЮз crystals under the influence of an electric field. //Ferroelectrics, 1990. -Vol. 111.-P. 277-281.

21. Liao J., Vang Y., Hui S.X., Luo H.S., Vin Q.R. Observation of domain movement on BaTi03 crystals under applied electric filed by scanning electron acoustic microscope. //Ferroelectrics, 1-4, 1999. Vol. 231. - P. 55-60.

22. Uesu Y., Kirimura S., Yamamoto Y. Optical second harmonic images of 90° domain structure in ВаТЮз and periodically inverted antiparallel domain in LiTa03. //Appl. Phys. Lett., 17, 1995. Vol. 66. - C. 2165-2167.

23. Большакова H.H., Рудяк B.M., Черешнева H.H. Процессы перестройки доменной структуры в кристаллах группы титаната бария, вызванные изменением температуры. //Кристаллография, 6, 1997. Том 42. -С. 1096-1100.

24. Гагарина Е.С., Экнадиосянц Е.И., Резниченко Л.А., Шилкина Л.А., Раевский И.П., Сахненко В.П., Смотраков В.Г., Еремкин В.В. Доменная структура кристаллов Na1.xLixNb03. //Кристаллография, 6, 2002. -Том. 47.-С. 1048-1059.

25. Bacheimer J.P., Dolino С., Lajzerowicz J., Vallade M. A new method for domain observation in TGS with second-harmonic light. //Ferroelectrics, 1974.-Vol. 7.-P. 331-332.

26. Dolino G. Direct observation of ferroelectric domaina in TGS with second-harmonic light. //Appl. Phys. Lett., 4, 1973. Vol. 22. - P. 123-124.

27. Loiacono G.M. and Stolzenberger R.A. Observation of complex domain walls KTi0P04. //Appl. Phys. Lett., 16, 1988. Vol. 53. - P. 1498-1499.

28. Dougherty J.P., Sawaguchi E. and Cross L.E. Ferroelectric optical rotation domains in single-crystal Pb5Ge30ii. //Appl. Phys. Lett., 4, 1972. Vol. 20. -P. 364-365.

29. Кирпичникова Л.Ф., Поломская М., Счесниак Л., Хильчер Б. Доменная структура кристаллов Cs3H(Se04)2. //Кристаллография, 5, 2003. -Том 48.-С. 879-883.

30. Евланова Н.Ф., Наумова И.И., Чаплина Т.О., Лаврищев С.В., Блохин С.А. Периодическая доменная структура в кристаллах LiNb03:Y, выращиваемых методом Чохральского. //ФТТ, 9, 2000. Том 42. -С. 1678-1681.

31. Zhand Lei, Kleemann Wolfgang, Wang Ruiping, Itoh Mitsuru. Second harmonic study of polar symmetry and domain structure in SrTi,803. //Appl. Phys. Lett., 16, 2002. Vol. 81. - P. 3022-3024.

32. Fiebig M., Frohlich D., Lottermoser Th., Maat M. Probing of ferroelectric surface and bulk domains in RMn03 (R=Y, Ho) by second harmonic generation. //Phys. Rev. B, 14. 2002. Vol. 66. - P. 144102/1-144102/5.

33. Iwata Manoto, Araki Takashi, Moeda Masaki, Suzuki Ikno, Ohwa Midehiro, Yasuda Naohino, Orihara Hiroshi, Ishibashi Yoshihiro. Domain observation in Pb(Zni/3Nb2/3)03 PbTi03 mixed crystals. //Jap. J. Appl. Phys. Ptl., 1 IB, 2002.-Vol. 41.-C. 7003-7006.

34. Кирпичникова Л.Ф. Доменная структура сегнетоэластиков. //Кристаллография, 6, 2003. Том 48. - С. 103-113.

35. Непочатенко В.А. Прослойка согласования кристаллических решеток в доменных стенках сегнетоэлектрика ортофосфата свинца. //Кристаллография, 2, 2003. Том 48. - С. 324-328.

36. Рандошкин В.В., Полежаев В.А., Сажин Ю.Н., Сысоев P.P. Особенности динамики доменов в монокристаллических пленках (Bi,Y,Lu,Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210). //ФТТ, 7, 2003. Том 45. -С. 1213-1220.39