Формирование и эволюция заряженных доменных стенок в монокристаллах ниобата лития и танталата лития : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.07

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Интерес к исследованиям сегнетоэлектриков объясняется сочетанием физических свойств и возможностью формирования доменной структуры заданной конфигурации, что позволяет создавать уникальные элементы для устройств микроэлектроники и нелинейно-оптических схем. По мере развития прикладного применения появляются новые требования к материалам, необходимость выявления определенных закономерностей.
Одноосные сегнетоэлектрики семейства ниобата лития (LN) и танталата лития (LT) находят широкое применение, благодаря уникальному сочетанию электрооптических, нелинейно-оптических, акустических и пьезоэлектрических свойств, а также возможности создания контролируемой доменной структуры [1– 3]. LN и LT являются модельными объектами для исследований, поскольку они обладают сравнительно простой доменной структурой со 180o доменными стенками и высокой температурой Кюри (TC). Сегнетоэлектрическая фаза изоморфных LN и LT стабильна в широком диапазоне состава, поскольку выращиваемые конгруэнтные кристаллы (CLN и CLT) имеют состав с дефицитом лития (около 48,5 мол.%), что существенно отражается на их свойствах.
Создание контролируемой доменной структуры получило название доменной инженерии. В последние десятилетия с развитием микроэлектроники возник особый интерес к инженерии доменных стенок, где ключевым объектом является непосредственно доменная стенка [4]. Заряженные доменные стенки (ЗДС) с высокой электропроводностью могут быть использованы в качестве подвижного электронно-активного интерфейса в цельном непроводящем материале [5, 6]. Наличие связанных зарядов на ЗДС приводит к увеличению их электропроводности на несколько порядков по сравнению с электропроводностью материала. Величина электропроводности ЗДС типа «голова-к-голове» и «хвост-к- хвосту» различается и зависит от подвижности носителей заряда [7, 8]. Очевидно, что для формирования стабильных ЗДС необходимо обеспечить эффективную компенсацию деполяризующего поля. Одним из способов является создание
6
пространственно неоднородного распределения носителей, приводящего к
возникновению внутреннего поля смещения.
Формирование доменной структуры в пространственно неоднородных
условиях является важной фундаментальной задачей, поскольку процесс переключения поляризации может рассматриваться как аналог фазового превращения первого рода, а для описания экспериментально наблюдаемых различных метастабильных доменных структур может использоваться кинетический подход [9]. Таким образом, исследование процессов контролируемого создания ЗДС и имеет фундаментальное и прикладное значение.
Цель работы – экспериментальное исследование формирования и эволюции доменной структуры с ЗДС в монокристаллах одноосных сегнетоэлектриков LN и LT с модифицированными приповерхностными слоями и градиентом состава.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. Экспериментально изучить влияние ионно-плазменного облучения и отжига в вакууме на электропроводность и оптические свойства CLN и CLT.
2. Изучить изменение пороговых полей переключения поляризации в результате ионно-плазменного облучения и отжига в вакууме CLN и CLT.
3. Исследовать эволюцию доменной структуры при переключении поляризации и формирование ЗДС в СLN и СLT после ионно-плазменного облучения Z+ полярной поверхности.
4. Исследовать эволюцию доменной структуры при переключении поляризации и формирование ЗДС в СLN после отжига в вакууме с модификацией обеих полярных поверхностей.
5. Исследовать особенности исходной доменной структуры, образующейся в результате охлаждения после фазового перехода, в LT с различным пространственным распределением состава.
6. Исследовать изменение формы изолированных доменов с глубиной в СLN и LT с приповерхностными слоями, модифицированными высокотемпературным отжигом.

7
Научная новизна.
Продемонстрированы эффект внутриобъемного переключения поляризации и формирование ЗДС в модифицированных образцах с повышенной электропроводностью в поверхностных слоях.
Обнаружен рост изолированных доменов в форме звезд и многоугольников с вогнутыми углами, а также ветвление растущих доменов в модифицированных образцах. Особенности формы отнесены за счет неоднородного распределения остаточного деполяризующего поля на доменной стенке в условиях запаздывания экранирования.
Показано, что увеличение электропроводности в поверхностных модифицированных слоях приводит к значительному уменьшению пороговых напряжений за счет неоднородного распределения поля в объеме.
Практическая и теоретическая значимость работы.
Выявленные закономерности влияния ионно-плазменного облучения и отжига в вакууме на форму доменов и образование ЗДС могут быть использованы для развития методов доменной инженерии и инженерии доменных стенок.
Продемонстрирована возможность объяснения процессов формирования доменных структур с ЗДС и изолированных доменов разнообразной формы в рамках кинетического подхода, использующего аналогию между ростом доменов при переключении поляризации и фаз при фазовом превращении.
Положения, выносимые на защиту:
1. Уменьшение порогового напряжения переключения поляризации в СLN и СLT после ионно-плазменного облучения обусловлено значительным увеличением электропроводности облученного слоя, приводящим к неоднородному распределению электрического поля в объеме пластины и уменьшению толщины переключаемого слоя.
2. Качественное изменение формы изолированных доменов при переключении поляризации в растущем поле в CLN и CLT с модифицированным поверхностным слоем обусловлено неоднородным пространственным

8
распределением остаточного деполяризующего поля на доменной стенке при
запаздывании экранирования.
3. Формирование ЗДС вблизи Z– полярной поверхности при переключении
поляризации в отожженном в вакууме CLN обусловлено разрастанием нанодоменов, возникших при охлаждении под действием пироэлектрического поля и заэкранированных при повышенных температурах.
4. Уменьшение порогового напряжения вблизи Z– поверхности CLN после отжига в вакууме обусловлено полем, создаваемым градиентом концентрации экранирующих зарядов вблизи модифицированного поверхностного слоя с увеличенной электропроводностью.
5. Изменение формы ЗДС, возникающей в LT с градиентом состава, и образование изолированных доменов обусловлены воздействием пироэлектрического поля при охлаждении после отжига.
Объекты исследования:
– в монокристаллических пластинах CLN и CLT, модифицированных ионно- плазменным облучением и отжигом в вакууме, исследовались эволюция доменной структуры при переключении поляризации во внешнем электрическом поле, а также доменная структура с ЗДС, сформированная в результате переключения;
– в монокристаллических пластинах LT с градиентом состава исследовалась доменная структура с ЗДС, сформированная в результате охлаждения после фазового перехода.
Методология и методы исследования. Экспериментальное исследование свойств модифицированных пластин и доменной структуры проводилось с использованием современного аналитического оборудования. Исследование эволюции доменной структуры проводилось при помощи оптической поляризационной микроскопии. Визуализация статической доменной структуры на поверхности пластин проводилась с помощью силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика (СМПО), а также после селективного травления с помощью оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии

9
(СЭМ). Для визуализации статической доменной структуры в объеме использовались конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния (КМКР) и микроскопия генерации второй гармоники (МГВГ) Черенкова. Для определения состава пластин использовались оптическая спектрофотометрия и спектроскопия комбинационного рассеяния. Для определения пространственного распределения электрического поля была разработана оптическая схема на основе линейного
электрооптического эффекта, использующая интерферометрический метод. Достоверность проведенных исследований обеспечивается применением поверенных и калиброванных средств измерений, аттестованных методик измерений, надежной статистикой экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью принятых
допущений и согласованностью с экспериментальными результатами.
Апробация результатов. Основные результаты работы были представлены автором лично на 14 российских и международных конференциях и симпозиумах: 1) Joint international symposium ISFD-11-RCBJSF (Екатеринбург, 2012); 2) 21st International conference on Ion-Surface Interactions (ISI-2013, Ярославль); 3) 20я и 21я Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XX, Красноярск, 2014; ВКС-XXI, Казань, 2017); 4)International conference “Piezoresponse forсe microscopy and nanoscale phenomena in polar materials” (PFM-2014, Екатеринбург); 5) Joint international symposium RCBJSF-FM&NT (Riga, Latvia, 2014); 6) International workshop on phase transitions and inhomogeneous states in oxides (PTISO, Казань, 2015); 7) International workshop “Modern nanotechnologies” (IWMN, Екатеринбург, 2015; 2016); 8)Joint ISAF-ECAPD-PFM conference (Darmstadt, Germany, 2016); 9)International conference “Scanning probe microscopy” (SPM, Екатеринбург, 2017, 2018); 10) Russia/CIS/Baltic/Japan symposia on ferroelectrics (RCBJSF, Санкт-Петербург, 2018); 11) European conferences on applications of polar
dielectrics (ECAPD, Москва, 2018).

10
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований
опубликованы в 38 печатных работах, в том числе в 5 статьях в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК и в 33 тезисах международных и всероссийских конференций. Диссертационная работа выполнена с использованием оборудования Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке РФФИ (гранты 12-02-31377 мол_а, 13-02-01391 а), Министерства образования и науки РФ (грант 2.1984.2011), гранта компании «ОПТЭК» по поддержке НИР молодых ученых (2012 г.), грантов УрФУ на выполнение НИР молодыми учеными (No1.2.1.5/85 2013 г., 1.2.2.2-14/109 2014 г.), а также стипендий Губернатора Свердловской области (2017/18уч.г.) и Президента РФ по приоритетным направлениям модернизации и технологического развития российской экономики (приказ No873 от 29.10.2012 г., No1029 от 30.08.2013 г., No418 от 22.04.2015 г.).
Основные результаты работы были получены лично автором или при его активном участии. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились с научным руководителем д.ф.-м.н., профессором В.Я. Шуром. Анализ и обработка результатов проводились лично автором. Эксперименты по исследованию доменной структуры в отожженных и облученных кристаллах проводись совместно с с.н.с. к.ф.-м.н. Д.О. Аликиным. Визуализация доменной структуры методами оптической микроскопии и СЭМ проводилась лично автором, методом СМПО – совместно с Д.О.Аликиным, методом МГВГ – совместно с н.с. М.С. Небогатиковым и Д.О. Аликиным, исследования методом КМКР – совместно с с.н.с. к.ф.-м.н. П.С. Зеленовским. Ионно-плазменное облучение и вакуумный отжиг образцов осуществлялись совместно с к.ф.-м.н. С.А.Негашевым; VTE отжиг – совместно с м.н.с. Е.Д. Грешняковым.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка условных обозначений и сокращений, списка литературы. Общий объем работы составляет 125 страниц, включая 78 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 156 наименований.