Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
БОЙЦОВА Кристина Николаевна
Реальная и доменная структура SBN с примесями Ce, Cr, Eu и Rh
01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Тверь - 2012
Работа выполнена на кафедре сегнето- и пьезоэлектриков Тверского государственного университета.
Научный руководитель кандидат физико-математических наук, доцент Педько Борис Борисович.
Официальные оппоненты: Самсонов Владимир Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, Тверской государственный университет, заведующий кафедрой теоретической физики;
Некрасова Галина Михайловна, кандидат физико-математических наук, доцент, Тверская государственная сельскохозяйственная академия, доцент кафедры физики.
Ведущая организация Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики.
Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1400 час.____ на заседании диссертационного совета Д 212.263.09 при Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый пер., 35, ауд. 226.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государственного университета.
Автореферат разослан 21 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ляхова Марина Борисовна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время известно достаточно много оптических cегнетоэлектрических кристаллов. Особое место среди них занимают кристаллы твердых растворов ниобата бария стронция SrxBa1-xNb2O6 (SBN), которые относятся к сегнетоэлектрикам-релаксорам. Высокие электрооптические коэффициенты (превышающие электрооптические коэффициенты кристаллов группы дигидрофосфата калия и ниобата лития), высокие пиро- и пьезоэлектрические коэффициенты выдвигают SBN в число весьма перспективных материалов для различных применений [1].
Широкие практические возможности и удобство для фундаментальных исследований кристаллов SBN обусловлены, прежде всего, сильной зависимостью оптических и диэлектрических свойств от вводимых примесей. Кристаллы SBN, легированные примесями Ce и Cr, широко используются для записи динамической голографии, а также в качестве среды для оптической голографической памяти, поскольку добавление данных примесей приводит к значительному изменению фоторефрактивной чувствительности кристаллов. При введении примеси Ce обнаружено увеличение фоторефрактивной чувствительности на два порядка, а SBN с примесью Cr показывает большую скорость отклика фоторефракции. В связи с этим исследование влияния примесей на сегнетоэлектрические свойства кристаллов SBN является весьма перспективным. Введение примесей смещает точку фазового перехода и интенсифицирует процессы поляризации, происходящие в кристаллах, а также изменяет внутренние деполяризующие поля в объеме кристалла, которые, в свою очередь, изменяют условия экранирования спонтанной поляризации. В свете вышесказанного представляется интересным и актуальным поиск общих закономерностей влияния фоторефрактивных и других примесей на сегнетоэлектрические свойства кристаллов SBN.
Изучение поведения доменной структуры сегнетоэлектрика-релаксора SBN имеет не только прикладной, но и фундаментальный интерес, поскольку наличие нанодоменных состояний во многом определяет его переключательные способности и поведение электрофизических характеристик при внешних воздействиях [2].
Исследованию доменной структуры и процессов переключения в кристаллах SBN посвящено довольно много статей, как в российских, так и в зарубежных изданиях. Это, прежде всего работы Т.Р. Волк, Н.Р. Иванова, В.В. Гладкого. Известны работы связанные с непосредственным выявлением доменной структуры кристаллов SBN [3], работы [4], где приводятся результаты исследования термоиндуцированных процессов переключения в кристаллах SBN с примесями Cr и Ce, работы [5], где исследовалось влияние примесей на оптические и сегнетоэлектрические свойства SBN. Наибольший интерес вызывает обнаруженная авторами [6,7] возможность записи в релаксорном сегнетоэлектрике ниобате бария-стронция (SBN) регулярных 1D и 2D микродоменных структур, созданных путем приложения постоянных напряжений к зонду атомно-силового микроскопа.
Интенсивные исследования кристаллов SBN обуславливают необходимость изучения влияния примесей различного рода на реальную структуру, в том числе доменную структуру этого материала. Имеется настоятельная необходимость проведения исследований взаимосвязи нанодоменной структуры и микродоменной структуры в кристаллах-релаксорах. Информация о качественном отличии процессов переключения в SBN и участии квазирегулярных ансамблей изолированных нанодоменов с заряженными доменными стенками в процессе формирования микродоменной структуры сообщалось авторами [8].
Развитие современных методов микроскопии предоставляют широкие возможности подобных исследований, особенно, в комплексе с применением традиционных методов, таких как химическое травление.
В свете вышесказанного в работе поставлена задача исследования реальной (дефектной и доменной) структуры кристаллов SBN легированных Ce, Cr, Eu и Rh методами АСМ, оптической микроскопии в комплексе с методом химического травления.
Цель работы и задачи исследования.
Целью данной работы является исследование реальной структуры (дефектной и доменной) монокристаллов сегнетоэлектрика-релаксора SBN с примесями Cr, Ce, Eu и Rh.
Были поставлены следующие задачи:
- выполнить комплексное исследование реальной и доменной структуры монокристаллов сегнетоэлектрика-релаксора SBN с примесями Cr, Ce, Eu и Rh методами химического травления, оптической и атомно-силовой микроскопии;
- установить основные закономерности изменения структуры кристалла SBN в зависимости от введённой примеси и её концентрации на основе проведения комплексного исследование кристаллов SBN легированных Ce, Cr, Eu и Rh c различной концентрацией примесей;
- установить связь микро- и наноразмерной доменной структуры кристаллов SBN чистых и легированных Ce, Cr, Eu и Rh c различной концентрацией примесей;
- установить влияние процессов отжига и поляризации на реальную структуру (дефектную и доменную) указанных объектов.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования были выбраны образцы Sr0.61Ba0.39Nb2O(SBN:0,61). Все исследуемые образцы получены из кристаллов SBN, выращеных на физическом факультете Университета г. Оснабрюка (ФРГ) в Лаборатории роста кристаллов под руководством профессора Р. Панкрата и любезно предоставлены для исследований профессором З. Каппханом. Исследовались кристаллы SBN с примесями Сe, Cr, Eu и Rh. Концентрация примесей варьиро валась от 100 до 16 000 ppm. Для легирования примесями в расплав вводились оксиды соответствующих элементов.
Реальная структура (доменная и дефектная) изучалась следующими методами: химического травления, отжига, оптической микроскопии и АСМ.
Научная новизна.
Впервые проведено систематическое исследование доменной и дефектной структуры кристаллов SBN с различной концентрацией примесей Сe, Cr, Eu и Rh. Обнаружено значительное влияние типа и величины концентрации примеси на конфигурацию и размерный фактор доменной структуры.
Установлена корреляция параметров процессов импульсного переключения и характерных особенностей поведения доменной структуры, обусловленных введением различных примесей.
Проведено комплексное исследование процессов отжига и поляризации на состояние доменной структуры легированных кристаллов SBN. Обнаружена корреляция поведения доменной структуры SBN и проявления пироэлектрических свойств в тонких приповерхностных слоях кристаллов SBN Объяснение процессов формирования микроразмерной доменной структуры в SBN проводится на основе качественной модели описывающая связь микро- и наноразмерной доменной структуры.
Впервые методом АСМ установлена возможность активного воздействия на доменную структуру легированных кристаллов сегнетоэлектриковрелаксоров SBN как на полярных, так и неполярных срезах.
Практическая значимость.
Кристаллы SBN являются перспективным материалом оптоэлектронной промышленности. Результаты диссертационной работы могут применяться в организациях и на предприятиях выпускающих компоненты на основе кристаллов SBN при оценке их качества, поиске путей оптимизации их эксплуатационных параметров, а также при разработке новых применений в качестве основы элементов памяти.
Диссертационная работа выполнена при поддержке грантов: Проведение дополнительных проблемно-ориентированных фундаментальных экспериментальных и теоретических исследований физических свойств материалов для микро- и наноэлектроники. (Роснаука), 2007 г; Импульсные процессы переключения и реальная структура нанодоменных сегнетоэлектриков-релаксоров с фоторефрактивными примесями, 2009 г., (Минобнауки РФ); Проект П1937 от 29.11.2009 г. Импульсные процессы переключения поляризации в модельном кристаллеЦрелаксоре SBN с примесями металлов и способы контроля поляризации сегнетоэлектриков-релаксоров в рамках ФЦП Научные и научнопедагогические кадры инновационной России.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Результаты комплексных экспериментальных исследований реальной и доменной структуры методами оптической и АСМ с применением способа химического травления, - Результаты исследований возможности активного воздействия на доменную структуру легированных кристаллов сегнетоэлектриков-релаксоров SBN как на полярных, так и неполярных срезах.
- Положения качественной модели описывающей связь микро- и наноразмерной доменной структуры сегнетоэлектрика-релаксора SBN.
Апробация результатов работы.
Основные материалы диссертации докладывались на конференциях:
Третьей Международной конференции по физике кристаллов Кристаллофизика 21-го века (Москва, МИСиС (Московский институт стали и сплавов (технологический университет), г. Черноголовка, 2006 г.); Молодые ученые-2006 (Москва, МИРЭА (Московский институт радиоэлектроники и автоматики, 2006 г.)); Микроэлектроника и информатика-2007 (Москва (Зеленоград), Московский государственный институт электронной техники (технический университет), 2007 г.); Микроэлектроника и информатика-2008, (Москва (Зеленоград), Московский государственный институт электронной техники (технический университет), 2008 г.); Каргинские чтения, (г. Тверь, Тверской государственный университет, 2008 г.); ВКС XVIII, (г. Санкт-Петербург, С.Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ (2008 г.); Молодые ученые-2008, (Москва, МИРЭА (Московский институт радиоэлектроники и автоматики, 2008 г.); XIV Национальной конференции по росту кристаллов, IV Международной конференции Кристаллофизика XXI века, посвящённой памяти Шаскольской, НКРК-2010, (Москва, 6Ц10 декабря 2010 г.); XIX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков 20Циюня, BKC-XIX (Москва, 2011 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из которых 3 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
ичный вклад автора в разработку проблемы.
Автором получены все основные экспериментальные результаты, выполнены соответствующие расчеты физических параметров, проведена интерпретация экспериментальных данных.
Выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились автором совместно с научным руководителем.
Исследования импульсных процессов переключения проведены совместно с Бурцевым А.В., исследования пироэлектрических свойств, проведены совместно с О.В. Малышкиной.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем составляет 160 страниц, включая 81 рисунок, 7 таблиц. Список цитированной литературы содержит 130 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко описана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы цели и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дана краткая характеристика, известных физических свойств и рассмотрена кристаллическая структура ниобата бария-стронция (SBN). Особое внимание обращено на рассмотрение доменной структуры SBN, дефектов кристаллической структуры, влияющих на физические свойства кристаллов SBN и влияние примесей металлов на физические свойства и реальную структуру SBN. На основе анализа литературы сформулирована постановка задач исследования.
Вторая глава состоит из 8 параграфов, и посвящена методике проведения эксперимента. Подробно описаны методы подготовки образцов SBN, проведения химического травления и структурных исследований, а также методика обработки экспериментальных данных.
В качестве объектов исследования были выбраны образцы Sr0.61Ba0.39Nb2O(SBN:0,61) (см. выше). Кристаллы выращивались вдоль полярной оси z методом Чохральского, разрезались алмазными пилами и шлифовались. Образцы представляли пластины оптического качества Z-X- и Y-срезов с полированными поверхностями с толщиной порядка 1 мм и более. Все образцы после предварительной обработки подвергались поляризации. Процесс поляризации проводился с нанесёнными графитовыми электродами при охлаждении от температуры Т=120oС до комнатной в течение t=6 часов. В работе указывается концентрация примесей в расплаве, из которого были выращены кристаллы, в ед. ppm.
(1 ед. ppm. соответствует 10-4 ат. %). Исследовались кристаллы SBN с примесями Ce, Cr, Rh и Eu. Концентрация примесей варьировалась от 100 до 16 000 ppm.
Структура кристаллов исследовалась как на кристаллах, не подвергавшихся ранее никаким послеростовым обработкам, так и прошедших отжиг (термическую деполяризацию) при нагреве до 200oС в течение 6 часов в муфельной печи.
Исследования доменной структуры образцов выполнены на оптических металлографических микроскопах Neophot-30 и Axiovert (Carl Zeis). Экспериментальные исследования методами сканирующей зондовой микроскопии были проведены на установке СЗМ Solver P47 (NT-MDT). В работе применялись следующие методы атомно-силовой микроскопии: метод микроскопии латеральных сил и метод рассогласования в контактном режиме сканирования и микроскопия пъезоотклика.
Традиционным для кристаллов АВО3 является травление при температуревыше температуры максимума температурной зависимости диэлектрической проницаемости SBN (80оС), связываемой с температурой фазового перехода.
Легирование примесями (в данном случае Сe, Cr, Eu и Rh) еще более снижает эту температуру. Это потребовало разработки способов травления при низкой температуре как в парах кислот, так и в кислоте. В результате получены высококонтрастные картины, позволяющие изучать как доменную, так и дефектную структуру кристалла.
В диссертационной работе изучено воздействие приложенного с помощью метода АСМ электрического поля, как к полярным, так и неполярным срезам кристаллов SBN. Область сканирования составляла от 10х10 мкм2 до 50х50 мкм2, а время сканирования составляло от 2 до 10 мин. Стабильность сформированных структур исследовалась в течение нескольких часов. Полученные АСМ методом цифровые изображения анализировались и изучались с помощью вышеописанной программы Grain Analysis Сочетание вышеперечисленных методик дало достаточно полную и точную картину для описания доменной и дефектной структуры SBN.
Третья глава состоит из четырёх параграфов и посвящена изложению результатов исследования структуры кристаллов SBN c примесями Сe, Cr, Eu и Rh методом травления в комплексе с методом оптической и АСМ- микроскопии. Исследования проводились как на полярных, так и неполярных срезах кристаллов.
В кристаллах SBN, чистых и с примесями, на полярных срезах выявлена доменная структура 3-х типов: крупная микроразмерная порядка 100 мкм и более, мелкая микроразмерная как правило лабиринтного типа размером от 0,5 до нескольких мкм в матрице более крупного домена и наноразмерная до 10 нм, проявляющаяся по всей поверхности кристалла независимо от среза. В объеме микроразмерных доменов наблюдается одинаковая, либо преобладающая ориентация наноразмерных доменов. В той или иной степени наблюдаются включения, связанные с наличием в объеме иной фазы, и дислокационная структура.
Доменная структура на полярных срезах SBN:Cr (рис.1в) заметно измельчена по сравнению с чистым SBN со средним размером домена 1 мкм. Мелкая микродоменная структура лабиринтного типа вытравливается в матрице основного домена противоположного знака (рис.1в,е). Визуализировались полосы (механические повреждения), в которых после травления локализованы цепочки дислокаций (рис.1д,е). На некоторых участках полярного среза визуализировались беспорядочно распределённые фигуры травления произвольной формы (рис.1г), которые, по мнению автора, связаны с неоднородностью состава кристалла и возможным вкраплением другой фазы (рис.1д). Обнаружены дислокационные ямки травления (рис.1г) и отдельные пирамидальной формы ямки травления с квадратными основаниями. Ямки травления образуются в местах выхода дислокаций на поверхность кристалла.
На неполярном срезе у кристаллов SBN с примесью Сr визуализируется полосчатая (рис.1а), вытянутая вдоль оси Z доменная структура, которая при более крупном увеличении распадается на цепочки фигур травления (рис.1б).
Такая доменная структура связана с клинообразными доменами, выходящими на полярную поверхность и проходящими вглубь кристалла (рис.1б).
а б в г д е Рис.1. Картины травления кристалла SBN с примесью Се 2000 ppm., а, б - неполярный срез, в, г, д, е - полярный срез. Нанесенный масштаб 50 мкм. Оптическая микроскопия.
При АСМ исследование рельефа поверхности неполярного среза травления SBN:Cr также наблюдается полосчатая структура, вытянутая вдоль направления осей Z. Однако исследование распределения поверхностного заряда (рис. 2) показывают, что разнозаряженные области, вытянутые вдоль Z, имеют период меньший, чем фиксируемые при изучении рельефа. Такая структура связывается нами с доменами вытянутыми вдоль полярной оси Z и имеющими заряженные стенки, наличие которых фиксируется АСМ микроскопией. Толщина таких доменов достигает порядка 100-500 нм, при протяжённости превышающей картину наблюдения, т.е. превышающей десятки мкм.
Рис.2. Неполярный срез кристалла SBN с примесью Сr 2000 ppm, АСМ, распределение заряда. Видимое поле: 2,52,5 мкм.
Обнаружены области, в которых в системе полосчатых доменов возникают встречные домены. По сравнению с кристаллами чистого SBN, у которого ширина полосчатой структуры составляет до 8 мкм (по рельефу), в кристаллах с примесью Cr этот размер почти на порядок ниже.
Доменная и реальная структура кристаллов с примесью Се сходна с выявляемой у чистого SBN. На поверхности полярного среза видна доменная микроструктура 50Ц500 мкм (рис.3а,г) и лабиринтная микроструктура в матрице основного домена антипараллельной ориентации(рис.3б) размером несколько мкм. Средний размер доменов несколько меньше (рис.3г) размером по сравнению с чистым SBN, дислокационная структура выявляется как оптической микроскопией так и методом АСМ.
На неполярном срезе кристалла SBN, легированного Ce, рельеф травленной поверхности также визуализируется в виде полос (рис.4а) параллельной оси Z, а период полос с одинаковым знаком поверхностного заряда по отношению к выделенным на рельефе образцов с Ce порядка 1:10. Отметим, что заряженные полосы могут достигать толщины 1 мкм (рис.4б). Это меньше, чем в чистом SBN, но почти на порядок больше, чем в кристалле с примесью Cr.
Выявлено существенное различие реальной структуры монокристалла SBN с примесью Eu от кристаллов чистого и с примесью Сe и Cr. Мелкая лабиринтная доменная структура (рис.5в) наблюдается на всей поверхности полярного среза, в кристаллах отмечается значительно большее число дислокаций (рис.5).
На неполярном срезе SBN с примесью Eu после травления наблюдается полосовая доменная структура, однако, протяженность полос вдоль полярной осине в среднем 10Ц20 мкм.
б а в г Рис.3. Полярный срез кристалла SBNс примесью Се после травления (а, б, в), неполярный срез - г. Оптическая микроскопия. Нанесенный масштаб - а- 10 мкм, б, в, г - 50 мкм.
а б Рис.4. SBN:0.61 Cе 2000 ppm, неполярный срез, а - рельеф, б - распределение заряда.
Видимое поле: а - 2,52,5 мкм, б - 22 мкм. АСМ.
б а в г е д Рис. 5. Полярный срез (а,б,в,д) и неполярный срез (е) кристалла SBN с примесью 2000 ppm. Eu, после травления, оптическая микроскопия. Нанесенный масштаб:
50 мкм. Оптическая микроскопия.
ж - полярный срез, видимое поле:
2525 мкм. АСМ.
ж АСМ-исследования поверхности кристалла SBN с примесью Eu выявляют наличие дислокаций. На неполярных срезах структура, выявляемая при исследования рельефа имеет ширину полосы до 100 нм, тогда как заряженные области в виде полос имеют размер до 10 нм.
С ростом концентрации вводимой примеси до 8000 ppm на полярных срезах наблюдалась зернистая структура (рис.6 а, б) похожая с керамической. Вероятно, что при концентрации примеси от 8000-16000 ppm происходит потеря монокристалличности исследуемых объектов.
а б Рис.6. Полярный срез SBN Eu 16000 ppm. после травления. Видимое поле: а - 1010 мкм, б - 44 мкм. АСМ.
Результаты исследования структуры кристаллов SBN с примесью Rh в целом сходны с полученными на других кристаллах. Выявлена крупная и мелкая лабиринтная доменная структура, наличие областей с иной фазой, дислокационная структура, как в виде цепочек(рис. 17 д, е), так и в виде отдельных дислокаций. Плотность дислокаций в кристаллах с примесью Rh на порядок выше, чем в других кристаллах.
б а в г д е Рис.7. SBN c примесью Rh 2000 ppm после травления, полярный срез. Оптическая микроскопия. Нанесенный масштаб: 50 мкм.
На неполярных срезах кристаллов SBN с примесью Rh, после травления наблюдается полосовая доменная структура внутри которой более мелкие полосы, сходная с той, что наблюдалась на SBN с примесью Eu (рис. 8а,б).
При глубоком травление кристаллов с примесью Rh, даже при малых концентрациях примеси, выявляется ячеистая структура (рис.7б), сходная с выявленной на керамических материалах, размер зерна порядка от 1 до нескольких микрометров.
а б Рис.8. SBN c примесью Rh 2000 ppm после травления, неполярный срез. Оптическая микроскопия. Нанесенный масштаб: 50 мкм.
При АСМ-исследовании на поверхности полярного и неполярного срезов выявляются заряженные области. Размеры заряженных областей порядка нескольких нм, размеры комплексов, объединяющих однозаряженные нанометровые области до сотен нанометров. Конфигурация крупных нанодоменных образований сходна по характеру с лабиринтной доменной структурой, ранее визуализированной в других объектах исследования (рис.9а,б).
Рис.9. SBN c примесью Rh 500 ppm после травления, полярный срез, а - рельеф, б - распределение заряда на поверхности. Видимое поле: а - 1414 мкм, б - 22 мкм. АСМ.
а б Использование силовой микроскопии позволяет сделать вывод о нанокластерной структуре поверхности кристаллов SBN, как у полярных, так и неполярных срезов с размером заряженных областей до 10 нм (рис.11).
В четвертой главе описывается процесс формирования доменной структуры в кристаллах SBN легированных примесями металлов методом АСМ.
Показана возможность формирования доменной конфигурации методом АСМ (приложением постоянного напряжения к зонду) не только на полярных, но и неполярных срезах. Методика приложения электрического поля описана в главе 2.
В кристаллах SBN легированных Cr на полярном срезе наблюдается наноразмерная доменная структура, достаточно равномерно распределенная по поверхности и не связанная с характерными особенностями рельефа. Воздействие электрического поля, приложенного к полярной поверхности кристалла (рис.10а) приводило к изменению наблюдаемой АСМ методом структуры (рис.10б) и формированию монодоменных областей. Направление электрического поля играло существенную роль в формировании новой доменной конфигурации.
Рельеф Распределение заряда Рис.10. SBN c примесью Cr 2000 ppm после травления, полярный срез, а - рельеф, б - распределение заряда после приложения поля, слева V =+10 В, справа - V =-10 В. Видимое поле: 88 мкм.
а б АСМ.
В кристаллах легированных Cr на неполярных срезах указывает на наличие (рис.11б), полосчатых разнозаряженных областей, которые могут быть связаны с доменами, имеющими заряженные стенки.
После получения картины рельефа и распределения поверхностного заряда к поверхности кристалла прикладывалось электрическое поле с помощью кантилевера ( поле 10 В, время выдержки t=5 минут). Изменения рельефа после указанного воздействия не обнаруживается. Общий характер структуры заряженных областей в целом сохраняется, тогда как отдельные домены (регулярные полосы на картинке) изменяют свою форму. Таким образом, приложение поля к поверхности неполярного среза кристалла приводит к движению доменных стенок как в направлении перпендикулярном полярной оси, так и вдоль последней. При сканировании кантилевером определенной площади в виде остаётся след в виде сканированной фигуры (квадрата), тогда как структура полос на сканированном поле частично исчезает. Это говорит о изменении заряда на поверхности кристалла и изменения доменной конфигурации (конфигурации заряженных областей) на неполярных срезах кристалла SBN с примесью Cr.
Указанная операция сканирования не изменяет рельефа, наблюдаемого в данной области кристалла. Изменение знака приложенного поля и проведение повторного сканирования приводит к практически полному восстановлению первичной полидоменной структуры в виде полос (рис.11аЦд). Приведенные результаты коррелируют с результатами исследований механизмов сегнетоэлектрического переключения, проведенных методом Эффекта Баркгаузена, указывающих на боковой рост доменных границ, как один из механизмов переключения кристаллов SBN. В кристаллах SBN с примесью Cr 2000 ppm. записанные микродоменные структуры различной геометрии со временем релаксируют и исчезают при времени выдержки порядка нескольких десятков минут.
В кристаллах с примесью церия получены результаты сходные с описанными выше, но, по мнению авторов, подвижность доменных границ, или переключательная способность нанорамерных доменов несколько выше, чем в кристаллах с примесью хрома. Это подтверждается, также, результатами исследования процессов переключения методом ЭБ.
а б в Рис.11. SBN c примесью Cr 2000 ppm, неполярный срез;
а - рельеф до наложения поля, в - рельеф после наложения поля, б, г, д - распределение заряда по поверхности г до наложения поля, после д наложения поля и после изменения знака поля соответственно. Видимое поле: а, б, в, г, д - 33 мкм. АСМ.
В кристаллах SBN легированных Eu, как и в других, исследования распределения потенциала по поверхности выявило наличие зарядовых состояний, которые указывают на наличие микро- и нано-доменной структуры. Удалось сформировать монодоменные области приложением поля кантилевера на полярном и на неполярном срезе при сканирования полем, при этом записанные картины различной геометрии сохраняются в течении длительного времени (рис.12аЦд).
а б д Рис.12. SBN c примесью Eu 16000 ppm (полярный срез), АСМ; а - рельеф до наложения поля, в - рельеф после наложения поля, б, г, д - распределение заряда по поверхности до наложения поля, после наложения в г поля и после снятия поля соответственно. Видимое поле: а - 1010 мкм, б, г - 11 мкм, в - 1515 мкм, д - 22 мкм. АСМ.
В кристаллах SBN с примесью Rh зафиксированы все типы доменной структуры. Нанодоменная структура в этих кристаллах проявлялась наиболее чётко. Характерным отличием является ячеистая структура кристалла (рис.
13а), даже при малой примеси Rh 500 ppm. На полярных срезах даже при кратковременном воздействии наблюдалось изменение наблюдаемой доменной структуры(рис. 13б), проявляющееся в изменении заряда. Снятие электрического поля приводило к быстрому восстановлению полидоменного фона нанокластерных областей.
Рис.13. SBN Rh 500 ppm.
Полярный срез. АСМ. а - рельеф, б - распределение заряда после сканирования при приложении поля квадрата, приложенное поле: V =-10 В, время воздействия t=20 минут.
Видимое поле:
а - 1515 мкм. АСМ.
б а На неполярных срезах при приложении поля фиксировалось изменение полосовой доменной структуры. Основное изменение происходит за счёт изменения ширины и конфигурации доменных границ, вытянутых вдоль оси Z. Такое воздействие поля кантилевера связано с тем, что практически в любом направлении, за исключением направления перпендикулярного сегнетоэлектрической оси Z имеет составляющую, направленную вдоль полярной оси. Это и приводит к изменению доменов, за счёт переориентации локальных областей, Именно в кристаллах SBN легированных Rh наиболее уверенно фиксируется наличие механизма переполяризации, связанной с переориентацией нанодоменов. Наблюдаемые изменения доменной конфигурации связанны с переориентацией ансамблей нанодоменных областей, приводящих к микроскопическому движению стенки. При этом доменная граница микроскопического домена меняет своё место расположения, а не испытывает скачкообразное движение, характерное для сегнетоэлекрических кристаллов. Аналогично прорастание доменов вперёд также связано с процессом переориентации поляризации в нанодоменных областях, объединением их в ансамбли и присоединением к объему основного домена. Такой подход подтверждается исследованием эффекта Баргаузена: фиксировались такие формы скачков переключения, которые не характерны для сегнетоэлектрических кристаллов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе методами оптической и атомно-силовой микроскопии с использованием химического травления, впервые проведено комплексное исследование реальной (доменной и дефектной) структуры монокристалла сегнетоэлектрика-релаксора SBN легированного примесями Cr, Ce, Eu и Rh с концентрацией до 16000 ppm.
На основе, полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. В кристаллах SBN, чистых и с примесями, на полярных срезах выявлена доменная структура 3-х типов: крупная микроразмерная порядка 100 мкм и более, мелкая микроразмерная как правило лабиринтного типа размеромот 0,5 до нескольких мкм в матрице более крупного домена и наноразмерная до 10 нм, проявляющаяся по всей поверхности кристалла независимо от среза. В объеме микроразмерных доменов наблюдается одинаковая, либо преобладающая ориентация наноразмерных доменов. В той или иной степени наблюдаются включения, связываемые с наличием в объеме иной фазы, и дислокационная структура.
2. В кристаллах SBN, чистых и с примесями, на неполярных срезах внутри матрицы основного домена проявляется более мелкая периодическая доменная структура в виде полос вытянутых в направлении полярной оси, с периодом, соотвествующим размерам лабиринтных микродоменов полярного срез. Проявление указанной структуры говорит о заряженности доменных границ.
3. Обнаружено значительное влияние типа и величины концентрации примеси на конфигурацию микроразмерной доменной структуры. Увеличение концентрации примеси до 8 000 ppm. и более в объеме SBN приводит к формированию зерноподобной структуры, сходной с наблюдаемой в керамике.
4. Установлена корреляция параметров процессов импульсного переключения в кристаллах SBN и характеристик доменной структуры, обусловленная введением различных примесей. Размер области, переключающейся при наблюдении методом Эффекта Баркгаузена, уменьшается при уменьшении характерного размера домена (примесь Cr) и увеличивается при увеличении (примесь Се). Наличию двух типов микродоменных структур соответствует два механизма переключения, фиксируемых ТЭБ и ЭБ. Участие наноразмерных заряженных областей в механизме микроскопического переключения может проявляться в фиксации импульсов переключения нехарактерных для классических сегнетоэлектрических кристаллов.
5. Процедура отжига (200oC) SBN без наложения электрического поля как правило приводит к измельчению микроразмерной доменной структуры и деполяризации образца. В кристаллах подвергнутых температурным воздействиям на глубине порядка 100 мкм формируется приповерхностный слой с зигзагообразными встречными доменами, что подтверждается от сутствием пироэлектрического отклика при зондировании кристаллов методом TSWM.
6. Впервые исследован процесс переформирования доменной структуры на полярных и неполярных срезах кристаллов SBN с примесями металлов методом АСМ при приложении постоянного напряжения к зонду. Более восприимчивыми к воздействию были кристаллы с примесью Rh. При увеличении концентрации примеси и времени воздействия эффект проявлялся более четко.
7. На неполярных срезах кристаллов при приложении поля наблюдалось движение доменных границ как в боковом, так и в направлении полярной оси. Изменение знака поля на противоположный приводило к практически полному восстановлению первичной доменной структуры. Время релаксации созданных доменных конфигураций составляло до нескольких часов.
Изменения конфигурации микроразмерной доменной структуры при внешних полевых локальных воздействиях связано с переполяризацией ансамблей наноразмерных областей.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ:
в журналах из списка ВАК:
1. Malyshkina O.V., Movchikova A.A., PedТko B.B., Boitsova K.N., Kiselev D.A., Kholkin A.L. Influence of Eu and Rh impurities on distribution of polarization of strontium-barium niobate crystals // Ferroelectrics. 2008. V.373. P.114Ц120.
2. Бурцев А.В., Педько Б.Б., Зазнобин Т.О., Юпатов А.Н., Котрова (Бойцова) К.Н. Термически индуцированные скачкообразные импульсные процессы в кристалле ниобата бария-стронция с примесями металлов // Физика твердого тела. 2009. Т.51. №7. C.1407Ц1409.
3. Malyshkina O.V., Movchikova A.A.; PedТko B.B., Boitsova K.N., Sorokina I.I.
Polarization Distribution and Domain Structure in SBN Crystal Doped by Eu or Rh // Ferroelectrics. 2010. V.398. P.64Ц70.
в других рецензируемых изданиях:
4. Бойцова (Котрова) К.Н., Маркова C.C. Исследование реальной структуры SBN c примесями Ce, Cr и Eu методом травления // Материалы Межд. научно-технической конференции Молодые учёные науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике, 5Ц9 декабря 2006 г., Москва, МИРЭА. 2006. Ч.2. С.255Ц258.
5. Бойцова К.Н., Педько Б.Б., Сорокина И.И. Исследование дефектной и доменной структуры кристаллов SBN с примесями Rh и Eu // Материалы Международной научно-технической школы-конференции Молодые учёные2008, Москва, МИРЭА.2008. С.120Ц124.
6. Бойцова К.Н., Педько Б.Б., Маркова С.С., Каппхан З., Панкрат Р.
Исследование реальной структуры кристаллов SBN с примесями металлов методом травления // Вестник Тверского государственного университета.
Серия: Физика. 2007. № 3. С. 106Ц111.
7. Бойцова К.Н., Педько Б.Б., Сорокина И.И. Исследование дефектной и доменной структуры кристаллов SBN с примесями Rh И Eu // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2008. Т.8. №3. С.120Ц124.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. M.: Наука. 1982. 400 c.
2. Волк Т.Р., Иванов Н.Р., Исаков Д.В., Ивлева Л.И., Лыков П.А. Особенности электрооптических свойств кристаллов ниобата бария-стронция и их связь с доменной структурой // Физика твердого тела. 2005. Т.47. Вып.2.
С.293Ц299.
3. Пшеничнов Ю.П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М.: Металлургия. 1974. 528 c.
4. Большакова Н.Н., Зазнобин Т.О., Иванов В.В., Муравьева Е.Б., Педько Б.Б.
Исследование процессов переключения кристаллов ниобата бариястронция методом теплового эффекта Баркгаузена // ФТТ. 2006. Т.48.
Вып.6. С.967Ц968.
5. Кислова И.Л. Влияние примесей церия и хрома на оптические и сегнетоэлектрические свойства кристаллов ниобата бария-стронция. Канд. дисс.
Тверь: ТвГУ. 2004. 133 с.
6. Лысова О.В. Атомно-силовая микроскопия сегнетоэлектрических микро- и нанодоменных структур. Автореферат канд. дисс. Москва, 2011.
8. Simagina L.V., Volk T.R., Gaynutdinov R.V., Lysova O.A., Tolstikhina A.L., Ivleva L.I. Spesific features 1D and 2D domains pattern stability recorded bin strontium-barium niobate by atomic force microscope // Integrated Ferroelectrics.
2009. V.109. P.36Ц47.
9. Шур В.Я., Шихова В.А., Пелегов Д.В., Иевлев А.В., Ивлева Л.И. Формирование ансамблей нанодоменов при переключении поляризации в монокристаллах Sr0.61Ba0.39Nb2O6:Ce // ФТТ. 2011. Т.53, Вып.11. C.2195Ц2199.
Технический редактор А.В. Жильцов Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60 84 1/16.
Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 197.
Тверской государственный университет Редакционно-издательское управление Адрес: Россия, 170100, г. Тверь, ул. Желябова, 33.
Тел. РИУ: (4822) 35-60-63.