Исследование доменной структуры ниобата лития Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Серия: Физика Вып. 2 (24)

УДК 539.25: 544.016.

Исследование доменной структуры ниобата лития

A.Н. Смирноваа, И.С. Азановаа, М.М. Неродовскийь, В.П. Первадчукс

B.И. Кичигина, И.В. Петухова, И.С. Батуринь

a Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 ь Уральский федеральный университет 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

с Пермский национальный исследовательский политехнический университет 614000, Пермь, Комсомольский проспект, 29

В работе показано, что пьезоэлектрический отклик доменов, сформированных в ниобате лития перпендикулярно друг другу, одинаков. Впервые получено, что при травлении образцов с исходным срезом Z+ на границах таких доменов возникает граничная область, которая имеет пьезоэлектрический отклик как у доменов, но при этом практически не травится. Предложено два возможных объяснения получившихся результатов.

Ключевые слова: ниобат лития; доменная структура

1. Введение

В последние годы большое внимание уделяется развитию доменной инженерии в сегнето-электриках, целью которой является управление нелинейно-оптическими, электрооптическими, акустическими и другими свойствами материалов путем создания стабильных периодических доменных структур. Популярными материалами для развития методов доменной инженерии являются одноосные монокристаллы сегнетоэлек-триков ниобата лития LiNbO3 и танталата лития LiTaO3, обладающие большими значениями нелинейно-оптических и электрооптических коэффициентов и сравнительно просто визуализируемой доменной структурой [1]. Ниобат лития - одноосный сегнетоэлектрик с полярной осью

2, относится к ромбоэдрической сингонии [2].

Основным способом получения доменной структуры, используемым на сегодняшний день, является приложение внешнего электрического поля к заданной системе электродов, сформированных на поверхности пластины, согласно требуемому топологическому рисунку доменной структуры [3]-[6]. Переключение происходит в областях, покрытых электродами.

Процесс переключения поляризации сегне-тоэлектриков в электрическом поле представля-

ет собой сложный многостадийный процесс перестройки доменной структуры. Основные стадии этого процесса следующие:

1) образование новых доменов (зароды-шеобразование);

2) прямое прорастание доменов в направлении полярной оси;

3) увеличение размеров доменов за счет бокового движения 180° доменных стенок (боковой рост);

4) коалесценция (слияние) доменов;

5) самопроизвольное обратное переключение.

Во время переключения сначала происходит смещение ионов ниобия из первоначального положения в направлении приложенного поля. После этого ион лития приобретает дополнительный энергетический импульс, который

способствует пересечению ионом лития кислородной плоскости вдоль направления приложенного поля [7].

Переключение поляризации происходит при условии, что суммарно внешнее переключающее поле, внутреннее поле экранирования (из-за перемещения ионов в решетке) и поле внешнего экранирования (перераспределение электронов в переключающих электродах) больше, чем деполяризующее поле (связано со связанными заря-

© Смирнова А.Н., Азанова И.С., Неродовский М.М., и др., 2013

76

дами, из-за «разрыва» спонтанной поляризации на поверхности сегнетоэлектрика) [8].

Популярным методом исследования доменной структуры является метод селективного травления, потому что известно, что срезы 2+ и 2- в ниобате лития травятся с разными скоростями [9].

В работе [10] показано, что домены, сформированные вдоль ортогональных осей в разное время, имеют разную скорость подтравливания поверхности и разные пьезоэлектрические отклики, которые отличаются незначительно. В работе предполагалось, что это может быть связано с разной поверхностью из-за различных направлений роста доменов, из-за наличия разницы во времени при их изготовлении, либо по иной причине. Изучение этих особенностей требует дополнительных исследований.

Цель исследования: определить влияние уже сформированной доменной структуры в ниобате лития на новую доменную структуру, которая формируется ортогонально первой.

2. Методики экспериментов

В работе исследовались образцы НЛ конгруэнтного состава производства фирмы Sipat (^20)0.486(ЫЪ205)0.514) в виде отполированных пластин 1 среза LiNЪO3 (1 х У х X =0.5 х 10 х 15 мм).

Методом фотолитографии на пластинах создавался топологический рисунок будущей доменной структуры. Доменная структура формировалась методом приложения внешнего электрического поля к жидким электродам (раствор хлорида лития), окружающим пластину, при комнатной температуре. Домены по шаблону имели форму правильных прямоугольников шириной от 50 до 150 мкм и длиной от 1 до 2 мм. Первая доменная структура была создана вдоль оси х, а затем вдоль оси у. Таким образом, первая доменная структура практически перпендикулярна второй доменной структуре. В работе исследовались четыре группы образцов:

1. Пластины НЛ с двумя перпендикулярными друг другу доменными структурами, ширина доменов 50-150 мкм.

2. Образцы первой группы после химического травления в смеси азотной и плавиковой кислот ИБ +ИМ03 (1: 2) в течение 5 мин. при комнатной температуре.

3. Образцы второй группы после химического травления в этой же смеси в течение 20 мин. при комнатной температуре.

4. Образцы второй группы, которые травились в этой же смеси в течение 1 ч. при комнатной температуре.

Образцы, на которых изучалась 7+ поверхность, и образцы, на которых изучалась 7- по-

верхность, травились при одинаковых условиях. В первом случае 7+ поверхность была сверху, во втором - 7-.

Анализ микрорельефа поверхности проводился методами оптической микроскопии (OLYMPUS), оптической интерференционной профилометрии (ZYGO) и атомно-силовой микроскопии (ОТБвКА Аигит), методом химического травления поверхности. Для определения пьезоэлектрических откликов использовался атомно-силовой микроскоп ОТБвКА Аигит, оснащенный приставкой регистрации пьезоэлектрического отклика от поверхности образца, на измерительный зонд подавалось напряжение 4 В частотой 17.4 кГц.

3. Результаты

При формировании вдоль оси х домены получились с практически ровными стенками, соответствующими форме электродов. При формировании вдоль оси у домены, которые были в области с уже сформированными доменами, увеличились относительно шаблона не очень сильно. Но домены, формирующиеся в области, где не было «первых» доменов (ничем не ограниченные), значительно переросли размер, заданный электродами (рис.1).

^ - _£ РИ

1

'*■ . 7

2 ^

Рис. 1. Домены, сформированные вдоль х (1) и у (2) осей

При исследовании образцов атомно-силовым микроскопом с пьезоприставкой было обнаружено, что пьезоэлектрические отклики доменов, сформированных перпендикулярно друг другу, имеют одинаковый пьезоотклик для всех образцов. Определить границу между доменами на образцах группы 1 затруднительно (рис. 2). Это не согласуется с предыдущими результатами [9]. Вероятно, это несогласование связано с тем, что в первых работах на пластине НЛ первоначально присутствовали протонообменные канальные волноводы, которые могли привести к изменениям пьезоэлектрического отклика и скорости подтравливания поверхности.

Рис. 2. Пьезоотклик нетравленой поверхности 1+ среза НЛ. Домен, сформированный вдоль х (1) и у (2) осей, исходный НЛ (3)

Рис.3. Поверхность г+, время травления 20 мин. Слева - высота, справа - пьезоэлектрический отклик поверхности НЛ. Домен, сформированный вдоль х (1) и у (2) осей, исходный НЛ (3), граница между доменами (4)

Из рис. 3 следует, что между доменами, сформированными вдоль разных осей и в разное время, чётко наблюдается граница шириной порядка 1 мкм. Граница имеет мозаичную структуру, при этом граница имеет высоту почти такую же, как и исходный нетравленый НЛ. Причём эта граница располагается дальше, чем само пересечение доменов, но с расстоянием толщина границы и её дискретность уменьшаются (рис.4).

Рис.4. Пьезоотклик поверхности г+ образца, время травления 60 мин. Домен, сформированный вдоль х (1) и у (2) осей, исходный НЛ (3)

Границы между доменами наблюдаются при помощи оптического микроскопа (рис. 1 и рис.

5).

Рис. 5. Пересечение доменов. Время травления 20 мин. Домен, сформированный вдоль х (1) и у (2) осей, граница между доменами (4)

При изучении пьезоэлектрического отклика стороны 7- было обнаружено, что выступающие границы присутствуют и на другой стороне (рис.6 и рис.7) . Но дискретной структуры границ обнаружено не было. При этом домены были фактически 2+ и не должны были травиться.

50

Р151апсе (ит)

Рис. 6. Профилограмма поверхности г травления 60 мин.

Время

Рис. 7. Трёхмерная модель поверхности г~.

Время травления 60 мин.

При длительном травлении происходит небольшой потрав поверхности доменов. Причем подтравливание «первых» и «вторых» доменов разное, что согласуется с работой [10].

4. Обсуждение результатов

По скоростям травления можно было бы предположить, что эта граница является набором самопроизвольно переключённых микро-

доменов. Домены 7+ не травятся, но тогда пьезоэлектрический отклик границы должен быть близок к исходному НЛ. Но экспериментально установлено, что пьезоэлектрический отклик границ почти такой же, как у перпендикулярных доменов, которые она разделяет.

При приложении внешнего поля выше коэрцитивного к выделенной области в сегнетоэлек-трике начинается процесс зарождения новых доменов. Новые домены зарождаются на дефектах структуры и на границах электрод - материал. В данном случае границами являлись переключаемые области и защищенная фоторезистом поверхность ниобата лития. При формировании «первых» доменов процесс зарождения происходил именно таким образом. Но при формировании «вторых» доменов границы между «первыми» доменами и исходным материалом оставались заряженными. Таким образом, сами границы становились центрами заро-дышеобразования новых доменов.

Особенности, возникающие на границах электрод - материал, очень сложны для анализа в силу необходимости учета всех действующих электрических полей. Подобное поведение можно объяснить двумя способами. Первый способ: при повторном приложении электрического поля произошла перестройка структуры, которая привела к росту (порядка 10 нм) части материала на границах между доменами для компенсации внутренних электрических полей как со стороны 2+, так и со стороны 2-. При этом граничная область находится во всём объёме материала и приводит к незначительным отличиям от тех доменов, в которых она находится. При таком способе объяснения при травлении исходной стороны 2+ травятся и перпендикулярные домены и граничная область между ними. Второй способ: при повторном приложении внешнего поля вдоль «второго» растущего домена произошла перестройка структуры, которая привела к появлению граничной области во всём объёме кристалла. Эта граничная область практически не травится, но обладает пьезоэлектрическим откликом как у доменов.

5. Выводы

Пьезоэлектрический отклик доменов, сформированных вдоль разное направление в разное время одинаковый. Ранее полученные результаты [10] справедливы, если один из доменов сформирован на протонообменном канальном

волноводе. В ходе экспериментальных работ впервые были обнаружены сложной структуры между травлеными перпендикулярными доменами. Предложены гипотетические объяснения появлению такой границы.

Список литературы

1. Шур В.Я., Руменцев Е.Л. и др. Кинетика доменов при создании периодической доменной структуры в ниобате лития // Физика твердого тела. 1999. Т.41. № 10. С. 18311837.

2. Лайнс М. and Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1981. 301 с.

3. Baturin I.S., Konev M. V., Akhmatkhanov A.R., Lobov A.I., and Shur V.Ya. Investigation of jerky domain wall motion in lithium niobate // Ferroelectrics 374 (1). 2008. P.136-143.

4. Lim E. J., Fejer M. M., and Byer R. L. 2 nd-harmonic generation of green light in periodically poled planar lithium-niobate wave-guide //Electron. Lett., 1989, Vol. 25, P. 174-175.

5. Ito H., Takyu C., and Inaba H. Fabrication of periodic domain grating in LiNbO3 by electron beam writing for application of nonlinear optical processes // Electron. Lett., 1991. Vol. 27, P. 1221 -1222.

6. Miyazawa S. Ferroelectric domain inversion in Ti-diffused LiNbO3 optical-waveguide // J. Appl. Phys., 1979, Vol. 50,P. 4599-4603.

7. Cho Y., Fujimoto K., Hiranaga Y., Wagatsuma Y., Onoe A., Terabe K. and Kitamura K. Tbit/inch2 ferroelectric data storage based on scanning nonlinear dielectric microscopy // Appl. Phys. Lett., 2002, Vol. 81, P. 4401-4403.

8. Shur V.Ya., Rumyantsev E. L. and al.. Domain kinetics in lithium niobate and lithium tanitalate and creation of periodic devices for nonlinear optics and acoustic-electronics // Proceedings of Higher Education. Electronics. 2003. №3, P. 20-27.

9. Sones C.L., Mailis S., Brocklesby W.S. et al. // Differential etch rates in z-cut LiNbO3 for variable HF/HNO3 concentrations// J. Mater. Chem. 2002. N 12. P. 295-298.

10. Смирнова А.Н., Мушинский С.С., Азанова И.С., Шевцов Д.И.. Формирование доменов на канальных волноводах, полученных методом протонного обмена с последующим отжигом // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9, №4. С. 515-520.

The study of the domain structure lithium niobate

A.N. Smirnovaa, I. S. Azanovaa, M.M. Neradovskiyb, V.P. Pervadchukc, V. I. Kichigina, I. V. Petukhova, I.S. Baturinb

a Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm

b Ural Federal University, Mira St. 19, 620002, Yekaterinburg

c Perm State Technical University, Komsomolsk prospectus 29, 614000, Perm

It is shown that the piezoelectric response of perpendicular to each other domains formed in lithium niobate the same. First it was found that etching the original samples cut Z + border of the boundary region domains occurs, which has piezoelectric response like domains, but little etched. Suggested two possible explanations for the result.

Keywords: lithium niobate, domain structure