Влияние облучения на доменную структуру и переключение поляризации в сегнетоэлектриках

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................5
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР....................................................10
1.1 Взаимодействие проникающей радиации с кристаллическим веществом...........10
1.1.1 Механизмы образования и основные типы
радиационных дефектов в кристаллах.....................................10
1.1.2 Облучение нейтронами..................................................12
1.1.3 Облучение электронами и у - лучами....................................14
1.2 Взаимодействие лазерного излучения с веществом............................16
1.3 Переключение поляризации в сегнетоэлектриках..............................18
1.3.1 Локальный подход: кинетика доменной структуры.........................18
1.3.2 Интегральный подход: ток переключения и
петля диэлектрического гистерезиса.....................................22
1.4 Экранирование деполяризующего поля........................................28
1.5 Явление усталости при циклическом переключении поляризации в сегнетоэлектриках..........................................................32
1.5.1 Общая характеристика..................................................32
1.5.2 Влияние условий эксперимента на эффект усталости......................33
1.5.3 Механизмы усталости...................................................35
1.5.4 Кинетический подход...................................................38
1.6 Кинетика доменов в неравновесных условиях.................................39
1.7 Влияние проникающей радиации
на диэлектрические свойства сегнетоэлектриков..............................43
1.7.1 Влияние у-облучения и облучения электронами
на переключение поляризации............................................43
1.7.2 Влияние облучения нейтронами на переключение поляризации в сегнетоэлектриках..........................................................49
1.8 Влияние лазерного излучения свойства сегнетоэлектриков....................54
1.8.1 Индуцированное лазерным излучением изменение показателя преломления в монокристаллах ниобата и танталата лития.............................54
1.8.2 Влияние лазерного излучения на переключение поляризации и доменную структуру монокристаллов ниобата и танталата лития...................55
1.9 Монокристаллы ниобата лития...............................................58
1.10 Тонкие пленки цирконата-титаната свинца..................................61
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.............................................................64
2
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРМИЕНТА.........................................65
2.1 Исследуемые образцы.........................................................65
2.1.1 Конгруэнтные и легированные монокристаллы ниобата лития.................65
2.1.2 Тонкие пленки титаната-цирконата свинца.................................65
2.2 Облучение исследуемых образцов..............................................66
2.2.1 Облучение монокристаллов ниобата лития
интенсивным лазерным излучением..........................................66
2.2.2 Облучение тонких пленок рентгеновским излучением, нейтронами и электронами.............................................................67
2.3 Установка для исследования переключения поляризации в тонких пленках 68
2.4 Методики измерений..........................................................71
2.4.1 Анализ токов переключения и нетель диэлектрического гистерезиса
в тонких пленках.........................................................71
2.4.2 Визуализация доменной структуры в монокристаллах ниобата лития без травления...............................................................72
2.4.2.1 Оптическая визуачизация............................................72
2.4.2.2 Силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика (РРМ)..............73
2.4.3 Визуализация доменной структуры в монокристаллах ниобата лития после травления...............................................................74
2.4.3.1 Селективное химическое травление...................................74
2.4.3.2 Оптическая визуализация............................................75
2.4.3.3 Визуализация рельефа травлейия с помощью атомпо~силовой микроскопии................................................................75
2.4.4 Статистическая обработка и фрактальный анализ оптических изображений 76
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ................................................................78
3.1 Циклическое переключение поляризации
в сегнетоэлектрических тонких пленках........................................78
3.2 Влияние рентгеновского излучения на переключение поляризации
в тонких пленках.............................................................83
3.3 Циклическое переключение тонких пленок в процессе облучения синхротронным рентгеновским излучением.....................................................87
3.4 Влияние облучения электронами на переключение поляризации
в тонких пленках.............................................................89
3.5 Влияние облучения нейтронами на переключение поляризации
в тонких пленках.............................................................91
3
3.6 Краткие выводы........................................................95
ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНО-ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В НИОБАТЕ ЛИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.......................................................96
4.1 Поверхностные структуры, индуцированные
интенсивным лазерным излучением........................................97
4.2 Формирование поверхностных нанодоменных структур с помощью ультрафиолетового импульсного лазерного излучения......................99
4.2.1 Основные типы поверхностных доменных структур.....................99
4.2.2 Изолированные домены.............................................100
4.2.3 Доменная структура, состоящая из «доменных лучей»................103
4.3 Исследование поверхностной доменной структуры с помощью СЗМ...........108
4.4 Компьютерное моделирование...........................................110
4.5 Влияние импульсного инфракрасного лазерного излучения на формирование поверхностных нанодоменных структур...................................114
4.5.1 Формирование самоподобных структур при однородном облучении.......114
4.5.2 Воздействие инфракрасного излучения
через неоднородное пленочное покрытие..............................118
4.6 Механизм образования поверхностных доменных структур.................120
4.7 Краткие выводы.......................................................123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................124
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.....................................................126
БЛАГОДАРНОСТИ............................................................129
БИБЛИОГРАФИЯ.............................................................130
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ведутся широкие исследования возможностей практического применения сегнетоэлсктриков в различных областях техники, так как они обладают рядом уникальных свойств. Интерес к этим материалам сильно возрос в последнее время, благодаря развитию доменной инженерии, которая занимается разработкой методов создания в сегнетоэлектрических кристаллах доменных структур со строго заданной конфигурацией для применения в различных устройствах. Одной из наиболее важных задач доменной инженерии является создание фотонных кристаллов - нелинейнооптических материалов с регулярной доменной структурой для построения эффективных преобразователей частоты когерентного излучения. Ниобат лития является хорошим модельным объектом для такого рода исследований, поскольку он относится к классу одноосных сегнетоэлектриков и обладает сравнительно простой доменной структурой, которая может быть легко визуализирована оптическими методами.
Для создания микронных доменных структур используются такие методы как аутдиффузия оксида лития (Ь120), протонный обмен, диффузия титана (ТО и воздействие электронным пучком. Тем не менее, до настоящего момента, использование электрического поля остается наиболее предпочтительным и надежным методом в доменной инженерии, который позволяет создавать объемные периодические структуры с микронными периодами. Однако некоторые приложения фотонных кристаллов требуют наличия доменных структур с субмикронными периодами. Поэтому, исследование формирования таких объектов, как нанодомены, и умение управлять нанодоменными структурами имеют важное фундаментальное значение.
Также, на протяжении полувека, предпринимаются попытки использовать сегнетоэлекгрические материалы для создания конкурентоспособных запоминающих устройств (РеЯАМ), основанных на существовании в сегнетоэлектриках двух устойчивых состояний поляризации, переключаемых электрическим полем. Предполагается, что сегнетоэлекгрические запоминающие устройства по ряду параметров превзойдут аналогичные устройства на ферритах. Записывать информацию можно электрическим полем, механическим напряжением и поглощаемым излучением, а считывать, используя эффект ноля,
5
переключение поляризации, пиро- и пьезоэффекты или оптическое считывание. Для специальных применений важна присущая сегнетоэлектрикам значительная радиационная стойкость.
Актуальность работы обусловлена необходимостью детального
исследования воздействия излучения на доменную структуру и переключение поляризации в сегнетоэлектриках. Особенно важными с этой точки зрения являются исследования особенностей формирования нанодоменных структур под действием импульсного лазерного излучения. Вместе с тем, исследование влияния проникающего излучения на переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках является важной проблемой для применения в космических и оборонных отраслях промышленности.
Целью работы является исследование влияния проникающей радиации на переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках цирконата-титаната свинца, а также формирования нано-доменной структуры в монокристаллах ниобата лития в результате воздействия импульсного лазерного излучения.
Объекты исследования. Влияние проникающей радиации на переключение поляризации изучалось в тонких пленках цирконата-тиганата свинца РЬ2гхТ1].хОз (ЦТС). Выбор материала обусловлен его применением при создании энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств, которые используются, в частности, для решения космических и оборонных задач.
Исследования кинетики доменной структуры в результате воздействия импульсного лазерного излучения проводились в монокристаллах конгруэнтное и легированного М§0 ниобата лития ЫЫЬОз. Эти материалы наиболее популярны для нелинейно-оптических и акустических применений. Развитие методов создания стабильных регулярных доменных структур с микронными и субмикронными периодами исключительно важно для создания устройств преобразования длины волны лазерного излучения с использованием эффекта квазифазового синхронизма [56]. Получение субмикронных периодов является принципиальным достижением, которое откроет качественно новые возможности при создании фотонных кристаллов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
6
• Показано, что форма тока переключения наиболее чувствительна к воздействию проникающей радиации и существенно зависит от исходного состояния доменной структуры.
• Установлено, что облучение при циклическом переключении тонких пленок приводит к значительному ускорению процесса усталости -уменьшению величины переключаемого заряда.
• Показано, что самоорганизация поверхностных нано-доменных структур, образующихся в монокристаллах ниобата лития при воздействии импульсного лазерного излучения, обусловлена эффектом
коррелированного зародышеобразования.
• Обнаружена аномальная эволюция доменной структуры в
сильнонеравновесных условиях: рост доменных лучей вдоль выделенных кристаллографических направлений с дискретными поворотами, вызванными их взаимодействием.
• Продемонстрировано создание поверхностных периодических нано-доменных структур с помощью импульсного инфракрасного лазерного излучения.
Практическая ценность. Результаты исследований влияния проникающего излучения на свойства тонких пленок могут быть использованы для улучшения характеристик элементов энергонезависимой памяти,
используемых в условиях воздействия проникающей радиации.
Развитый способ получения субмикронной периодической доменной
структуры в ниобате лития с помощью импульсного лазерного излучения расширяет возможности применения этого материала для создания устройств акустоэлектроники и нелинейной оптики.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Высокая чувствительность формы тока переключения в тонких пленках ЦТС к воздействию радиационного излучения, и существенная зависимость результата облучения от исходного состояния доменной структуры.
2. Существенное ускорение процесса усталости, вызванное воздействием проникающей радиации при циклическом переключении.
7
3. Формирование самоорганизованных поверхностных нано-доменных структур при облучении поверхности монокристаллов ниобата лития импульсным лазерным излучением.
4. Выявленные правила формирования нано-доменных структур за счет ориентированного роста и взаимодействия нано-доменных лучей в результате действия импульсного лазерного излучения.
5. Предложенный механизм образования поверхностных нано-доменных структур под действием пироэлектрического поля, возникающего при охлаждении поверхностного слоя после завершения импульса излучения.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на 23 российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе International Joint Conference on the Applications of Ferroelectrics (2002, Nara, Japan), 7th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (2002, St.-Petersburg), XVI конференции rio физике сегнетоэлектриков (2002, Тверь), 7th International Symposium on Ferroic Domains and Mesoscopic Structures (2002, Giens, France), Scanning Probe Microscopy International Workshops (2003, 2004, Nizhny Novgorod), 10th European Meeting on Ferroelectricity (2003, Cambridge, U.K.), Materials Research Society Fall Meetings (2002, 2003, Boston, USA), 16tn International Symposium on Integrated Ferroelectrics (2004, Gyeongju, Korea), 8th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (2004, Tsukuba, Japan), International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (2004, Lecce, Italy), 5-ой Международной конференции “Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении” (2004, Воронеж), Nanophysics and Nanoelectronics International Symposium (2005, Nizhny Novgorod), 17th International Symposium on Integrated Ferroelectrics (2005, Shanghai, China), XVII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (2005, Пенза), 11th International Meeting on Ferroelectricity (2005, Foz do Iguacu-Puerto Iguazu, Brazil-Argentina), International Symposium “Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics” (2005, Ekaterinburg), X International Symposium “Nanophysics and Nanoelectronics” (2006, Nizhny Novgorod), The 8th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity, (2006, Tsukuba, Japan), The 9th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (2006, Dresden,
8
Germany), 8th European Conference on Applications of Polar Dielectrics (2006, Metz, France), 5th International Seminar on Fcrroelastic Physics (2006, Voronezh).
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 45 печатных работах, из них 6 статей во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях. Диссертационная работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ ФПМ Уральского государственного университета им. А.М. Горького в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке грантов РФФИ (04-02-16770), РФФИ-ГФЕН (03-02-39004), РФФИ-ННИО (04-02-04007), РФФИ-НЦНИ (05-02-19468), Министерства образования и науки РФ (48859, 49130 и РНП 2.1.1.8272 программы «Развитие научного потенциала высшей школы»), CRDF FSTM (RUE1-5037-EK-04), CRDF BRHE (EK-005-XI).
Все основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем профессором В .Я. Шуром и E.JÏ. Румянцевым. Эксперименты по циклическому переключению тонких сегнетоэлектричсских пленок и облучению монокристаллов ниобата лития проводились автором лично. Экспериментальная установка для циклического переключения в тонких пленках была создана совместно с И.С. Батуриным. Облучение импульсным лазерным излучением проводилось автором лично в лаборатории квантовой электроники института электрофизики УрО РАН. Анализ оптических изображений с поверхностными нано-домениыми структурами проводился совместно с А.И. Лобовым. Исследование поверхностных доменных структур в ниобате лития с помощью сканирующей зондовой микроскопии проводилось совместно с Е.И. Шишкиным и Е.В. Николаевой.
9
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Взаимодействие проникающей радиации с кристаллическим веществом
1.1.1 Механизмы образования и основные типы радиационных дефектов в кристаллах
Взаимодействие излучения с твердым телом сопровождается созданием различного рода структурных нарушений в решетке. Характер возникающих нарушений и их влияние на основные физические свойства облучаемого материала определяются как структурой решетки, так и природой и энергией бомбардирующих частиц [8,10,11,21,30].
Схема создания радиационных повреждений в твердых телах под действием корпускулярных излучений может быть описана следующим образом. Быстрая частица, сталкиваясь с атомом кристаллического твердого тела, передаст ему часть своей энергии. Если переданная энергия достаточно велика (Ж» ЖД то получивший эту энергию атом кристалла (первичный смещенный атом) покидает свое место в решетке и перемещается в междоузлие. В простейшем случае это приводит к созданию пары Френкеля - вакансия и атом в междоузлии.
Рисунок 1 Каскад вакансий и смещенных атомов, созданный одной быстрой частицей [13]
10
Однако первичный атом может получить так много энергии, что становится способным производить смещения других атомов кристалла, в результате чего образуется каскад многих вакансий и столько же атомов в междоузлиях (рис. 1). Этот каскад представляет собой первичную зону радиационного повреждения с большой плотностью энергии и сильно нарушенным порядком. Протяженность первичной поврежденной зоны зависит от энергии первичного атома и величины среднего свободного пробега первичного атома.
В случае облучения электронами и мягкими у-квантами [21] или быстрыми нейтронами, когда облучается вещество, состоящее из очень легких атомов, как, например, графит атомы смещаются равномерно по всему образцу. Если облучение этого типа выполнять при температуре, когда подвижным остается лишь один из видов дефектов, то становится возможным образование скоплений дефектов или взаимная аннигиляция межузельных атомов и вакансий в результате рекомбинации.
Если рассмотреть процесс образования скоплений, без учета рекомбинации точечных дефектов, то открываются две возможности. Первая их них состоит в том, что точечный дефект, диффундирующий через твердое тело, встретит другой подобный дефект и образует неподвижную связанную пару; впоследствии эта пара сыграет роль зародыша для конденсации следующих дефектов этого типа. Такой процесс известен под названием гомогенного зарождения скоплений дефектов. Такой же процесс происходит, когда небольшие скопления дефектов остаются подвижными, а после встречи со следующим дефектом закрепляются и в дальнейшем служат центрами конденсации. Вторая возможность для возникновения скоплений состоит в конденсации точечных дефектов на уже имеющихся в кристалле несовершенствах кристаллической решетки, например, примесных атомах, границах зерен и дислокациях. Этот процесс называется гетерогенным зарождением скоплений дефектов.
Пока при соударениях передается такое количество энергии, что величина среднего свободного пробега значительно превышает межатомные расстояния в кристалле, на развитие каскада столкновений не оказывает влияния структура кристалла, т.е. кристалл уподобляется изотропному твердому телу со статистически распределенными атомами. Сталкивающиеся частицы в таком
И
твердом теле рассматриваются как движущиеся свободно (по аналогии с классической кинетической теорией газа). Но как только энергия сталкивающихся атомов снижается до величины, не превышающей больше чем на порядок начинает проявляться регулярность расположения атомов в кристаллической решетке твердого тела. Столкновения атомов начинают преимущественно распространяться в направлениях наиболее плотноупакованных рядов атомов в кристалле, т.е. происходит своеобразная фокусировка столкновений в кристалле.
1.1.2 Облучение ней тронами
Благодаря отсутствию электрического заряда нейтроны легко проникают в вещество на большие расстояния. Основные виды взаимодействия - упругие столкновения с ядрами, в результате которых этим ядрам передается кинетическая энергия по закону столкновения твердых шаров, и ядерные реакции, продукты которых вызывают ионизацию среды и упругие смещения атомов.
Быстрые нейтроны (с энергией >0.1 МэВ) образуют дефекты структуры, передавая часть своей кинетической энергии атомным ядрам [11,15]. Атом, получивший достаточно сильный удар, может начать колебаться с очень большой амплитудой вокруг своего положения равновесия, а затем передать эту энергию соседним атомам, которые, в свою очередь, могут передать ее дальше. Состояние вещества при такой передаче энергии можно представить как мгновенный нагрев ограниченной области решетки до довольно высокой температуры. Теоретически такое состояние решетки впервые было рассмотрено Зейтцем и Келлером [152] на основе простых микроскопических законов теплопроводности. Согласно их теории, энергия, передаваемая атому решетки бомбардирующей частицей, освобождается в виде тепловой энергии в небольшом объеме непрерывной среды, а затем распространяется по законам теплопроводности («температурный клин»). Образование температурного клина сопровождается расширением вещества в нем, что, в свою очередь, должно приводить к возникновению напряжений вокруг клина и образованию дислокаций. Важным следствием образования клиньев любого типа является тот факт, что они приводят к возникновению различного рода сложных дефектов,
12