Исследование эволюции нанодоменных структур при переключении монокристаллов ниобата лития с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена, различной толщины

Abstract

Целью работы является исследование эволюции формы микродоменов и формирования нанодоменных структур в ниобате лития с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена различной толщины. Работа направлена на решение фундаментальных и прикладных проблем физики сегнетоэлектриков. Целью работы является экспериментальное исследование формирования и эволюции микро- и нанодоменных структур в неравновесных условиях, обусловленных неэффективным экранированием деполяризующих полей, реализуемых при переключении поляризации в монокристаллах ниобата лития с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена. Исследование влияния поверхностных диэлектрических слоев на кинетику переключения поляризации имеет важное фундаментальное и прикладное значение. Изучение кинетики доменов в присутствии диэлектрических слоев важно для выяснения роли естественного поверхностного диэлектрического слоя в наблюдаемых закономерностях динамики доменов. С практической стороны, использование слоев с контролируемыми свойствами открывает дополнительные возможности для управления кинетикой и геометрией доменной структуры и разработки новых методов построения различных акустических, нелинейно-оптических и электро-оптических устройств с помощью доменной инженерии. В качестве объекта исследования в данной работе используется ниобат лития LiNbO3, различные модификации которого на сегодняшний день являются наиболее востребованными материалами для построения большого класса устройств нелинейной оптики, в том числе с использованием подходов доменной инженерии. В работе будет исследован ниобат лития конгруэнтного состава (CLN). В качестве методики модификации поверхностного слоя СLN используется классическая техника создания волноводов – протонный обмен (PE), который позволяет создавать на поверхности диэлектрические слои с хорошо контролируемыми параметрами (глубиной, формой профиля и поверхностной проводимостью). Сочетание важного для применений материала и разработанной методики модификации поверхности обусловливает актуальность проводимых исследований. Основные результаты, полученные в хоте выполнения работы: • Установлено, что увеличение порогового поля пропорционально толщине модифицированного слоя. • Показано, что при переключении поляризации в растущем поле независимо от толщины PE-слоя кинетика доменной структуры начинается с появления и роста шестиугольных доменов; • Установлено, что в образцах с толщиной модифицированного слоя 1,7 и 3,4 мкм наблюдается два типа эволюции доменных структур: 1) рост «широкой доменной границы» (wide domain boundary - WDB) в слабом и среднем поле и 2) формирование микро- и нанодоменных ансамблей в сильном поле. • Обнаружено, что в образцах с толщиной модифицированного слоя 4,6 мкм реализуется дискретное переключение, и формируются паутинообразные доменные структуры, состоящие из изолированных доменов. • Показано, что полевые зависимости скорости распространения фронта нанодоменов могут быть аппроксимированы активационной зависимостью с полем активации Ea = 3,3 ± 0,1 кВ/мм. Место выполнения работы. Работа выполнена в лаборатории сегнетоэлектриков НИИ физики и прикладной математики Института естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» ИЕН УрФУ.