Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование эффектов самоорганизации при формировании квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках. Выявлены закономерности формирования и роста самоупорядоченных нанодоменных ансамблей в пластинах ниобата лития с поверхностными слоями, модифицированными методами протонного обмена. Обнаружено, что кинетика доменной структуры в растущем поле в ниобате лития с поверхностным слоем, модифицированным оригинальной модификацией метода протонного обмена, представляет собой рост строго ориентированных доменных лучей. При превышении порогового поля происходит потеря устойчивости формы доменных стенок. Подобная кинетика доменной структуры получена в немодифицированных образцах ниобата лития и танталата лития при переключении поляризации в импульсном пироэлектрическом поле. Выявлены основные закономерности формирования и роста самоупорядоченных нанодоменных ансамблей в пластинах ниобата лития и танталата лития с нанесенными поверхностными диэлектрическими слоями фоторезиста. В ниобате лития образуются ориентированные цепи нанодоменов размером от 30 до 60 нм, глубиной 3-5 мкм и периодом около 90 нм. Обнаружен эффект ветвления цепей и показано, что структура ветвей является квазипериодической с расстоянием между ветвями 700 нм. Выявлен эффект удвоения пространственной частоты, приводящий к двукратному уменьшению характерного расстояния до 350 нм. В танталате лития образуются упорядоченные цепи нанодоменов с размером от 50 до 200 нм и периодом в цепях около 280 нм для слоя на Z+ поверхности и около 300 нм при периоде около 500 нм для слоя на Z- поверхности. Более высокая плотность нанодоменных структур отнесена за счет более медленного процесса объемного экранирования в танталате лития. Выявлены основные закономерности формирования и роста самоупорядоченных нанодоменных ансамблей в германате свинца при переключении поляризации. Обнаружены три режима переключения поляризации “медленное”, “быстрое”, “сверхбыстрое”, качественно различающиеся сценарием эволюции доменной структуры и величиной скорости бокового движения доменных стенок. Визуализация с высоким пространственным разрешением статической доменной структуры, полученной в режиме сверхбыстрого переключения, показала, что перед стенкой формируются ансамбли изолированных нанодоменов. Проведен теоретический расчет пространственного распределения электрических полей вблизи нейтральной и заряженной доменной стенки при неполном экранировании с учетом наличия поверхностного диэлектрического зазора, в том числе и расчет поля на доменной стенке вблизи вершины домена в форме многоугольника (излома на доменной стенке). Результаты расчета демонстрируют значительный эффект уменьшения тормозящего влияния шлейфа при уменьшении угла при вершине, что позволяет обосновать экспериментально наблюдаемые изменения формы доменов в сильнонеравновесных условиях переключения и формирование доменных лучей. Проведен теоретический расчет пространственного распределения электрических полей вблизи цилиндрического и клиновидного изолированного домена при неполном экранировании с учетом наличия поверхностного диэлектрического зазора. Выявленный максимум поля вблизи доменной стенки, на расстоянии близком к толщине диэлектрического зазора, позволяет количественно изучать эффект коррелированного зародышеобразования, приводящий к формированию самоорганизованных доменных структур. Выявленное существенное возрастание эффекта при росте доменов позволяет объяснить наличие критического размера домена, при котором возникает эффект потери устойчивости формы доменной стенки. Предложена модель для объяснения процесса формирования и роста самоупорядоченных нанодоменных ансамблей в одноосных сегнетоэлектриках с искусственным диэлектрическим поверхностным слоем. Формирование самоорганизованных структур было дополнительно исследовано в монокристаллах танталата лития стехиометрического состава легированного магнием, обладающих одним из самых низких пороговых полей среди представителей семейства LN и LT и имеющих перспективы практического применения. Показано, что переключение MgOSLT с твердотельными электродами приводит к формированию на Z- полярной поверхности структуры квазирегулярных полосовых доменов субмикронной ширины, ориентированных вдоль Y кристаллографических направлений. Показано, что период структуры в пределах ошибки не зависит от напряженности поля, и равен (1,2±0,1) мкм, что подтверждает самоорганизованный характер процесса ее формирования.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование эффектов самоорганизации при формировании квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках. Были выявлены закономерности формирования самоупорядоченной «широкой доменной границы» в ниобате лития и германате свинца. Показано, что в ниобате лития с поверхностным слоем толщиной 4,6 мкм, модифицированным протонным обменом, при переключении поляризации перед движущейся доменной стенкой формировалась самоорганизованная нанодоменная структура ("широкая доменная граница"). Формирование начиналось с образования ориентированных доменных цепей длиной до 6 мкм перед стенкой и цепей нанодоменов на расстоянии до 2 мкм позади стенки. При дальнейшем увеличении поля ускорялся рост нанодоменных лучей и цепей. Обнаружено, что скорость роста нанодоменных цепей в Y+ направлении более чем в десять раз больше, чем в Y- направлении, что приводило к различию ширины и скорости движения "широких доменных границ", растущих в противоположных направлениях. Впервые было показано, что при переключении поляризации в монодоменных пластинах германата свинца с поверхностным слоем фоторезиста впереди движущейся доменной стенки образовывались дендритные и полосовые доменные структуры субмикронной толщины и сложной формы. Выявлены закономерности образования дендритных доменных структур за счет эффектов ветвления и потери устойчивости формы движущейся доменной стенки в ниобате лития и танталате лития. Показано, что переключение поляризации при 250°С в монокристаллах ниобата лития с поверхностным диэлектрическим слоем из оксида кремния приводило к росту дендритных доменных структур, который начинался с образования шести основных ветвей в соответствии с симметрией кристалла. Увеличение размеров происходило за счет образования ветвей, рост которых сопровождался вторичным ветвлением. Было исследовано формирование дендритных доменных структур под действием пироэлектрического поля. Показано, что многократный импульсный нагрев монокристаллов ниобата лития приводил к формированию дендритных доменных структур в центре облученной области. «Каркас» доменной структуры, состоящий из цепей нанодоменов и субмикронных доменных лучей, возникал после воздействия первого импульса лазерного облучения. Увеличение количества импульсов приводило к уширению доменных лучей за счет бокового движения доменных стенок с потерей устойчивости формы и последующим формированием «доменных пальцев», что в конечном итоге приводило к образованию дендритной доменной структуры с фрактальной размерностью около 1,7. Обнаружено, что при однократном импульсном нагреве монокристаллов танталата лития в кольцевой области вблизи зоны, перегретой выше температуры сегнетоэлектрического фазового перехода, образовывались изолированные дендритные нанодоменные структуры диаметром до 50 нм. С помощью конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния было показано, что дендриты формировались в поверхностном слое за счет частичного обратного переключения. Выявлены закономерности образования остаточных нанодоменных структур при слиянии доменных стенок. Показано, что при слиянии параллельных доменных стенок в ниобате лития c поверхностным слоем, модифицированным протонным обменом, образовывалась квазирегулярная структура остаточных доменов микронной ширины со средним периодом 22 мкм и глубиной около 50 мкм. Были выделены основные стадии слияния параллельных доменных стенок при переключении поляризации в монокристаллах ниобата лития при температуре 200°С с помощью системы периодических полосовых электродов. Полученные результаты исследования слияния доменов были использованы для апробации методов сегнетоэлектрической литографии на примере нанесения слоев MoS2 на CLN с регулярной доменной структурой. Выявлены закономерности самоорганизованного формирования заряженных доменных границ. Выделены основные стадии формирования самоорганизованной доменной структуры с заряженными доменными стенками в монокристаллах ниобата лития после однократного импульсного нагрева. В зависимости от условий облучения выявлены три сценария эволюции доменной структуры. Первый, появление изолированных доменов в центре облученной области и последующий анизотропный рост доменных лучей к краю. Второй, образование изолированных доменов вблизи края облученной области и рост лучей к центру. Третий, образование и рост доменов по всей облученной области. При этом не наблюдалось расширения лучей за счет бокового движения доменных стенок. Таким образом, наблюдалось последовательное покрытие облученной области доменными лучами, ориентированными вдоль Y направлений («заштриховывание»). Такой процесс переключения поляризации был количественно описан зависимостью от времени суммарной длины доменных лучей и аппроксимирован с помощью подхода Колмогорова-Аврами (K-A), модифицированного для переключения в ограниченном объеме. Установлено, что в пластинах танталата лития с составом, приближенным к стехиометрическому, и поверхностным диэлектрическим слоем при переключении поляризации перед доменной стенкой образуются структуры, состоящие из ориентированных цепей. Для диэлектрического слоя, нанесенного на Z+ поверхность, нанодоменные цепи ориентированы вдоль X направлений, средний период изолированных доменов в цепи (300 ± 50) нм, а диаметр от 50 до 300 нм. Для диэлектрического слоя на Z- поверхности формировалась более плотная структура нанодоменных цепей, состоящих из изолированных доменов со средним диаметром (300 ± 50) нм. Проведено компьютерное моделирование процесса образования остаточных нанодоменных структур и формирования заряженных доменных границ. Использованная модель позволяла описывать 3D эволюцию доменной структуры. Показано, что образование остаточных доменов при слиянии параллельных стенок, вызвано подавлением зародышеобразования вблизи доменной стенки за счет запаздывания объемного экранирования. При этом, в частности, было установлено, что остаточные домены не образуются при слиянии доменных стенок с углом между ними 120°. Полученные особенности слияния растущих доменов соответствуют результатам экспериментов по переключению поляризации в монокристаллах ниобата лития с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование эффектов самоорганизации при формировании квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках. Предложена модель для объяснения коррелированного зародышеобразования в условиях неэффективного экранирования. Произведены расчеты полей, которые приводят к проявлению эффекта коррелированного зародышеобразования, при формировании доменной структуры для различных методов реализации неэффективного экранирования изменения деполяризующих полей. Показано, что топологическая неустойчивость движущейся доменной стенки вызвана запаздыванием объемного экранирования остаточного деполяризующего поля. Проведен линейный анализ устойчивости волнистой ДС. Образование заряженного шлейфа за движущейся стенкой было учтено при вычислении пространственного распределения локального электрического поля. Построена фазовая диаграмма устойчивости ДС в терминах периода Λ и ширины a заряженного шлейфа для кристалла ниобата лития. Полученный результат может быть использован для анализа устойчивости доменной стенки к возмущению произвольной формы через разложение в ряд Фурье. Проведен расчёт пироэлектрических полей, возникающих при импульсном лазерном нагреве монокристаллов ниобата лития и танталата лития. Рассчитано пространственное распределение пироэлектрического поля в двухмерной периодической структуре изолированных конических доменов с соотношением длины домена к диаметру около 20. Численным моделированием показано, что обратное переключение вызвано сменой знака пироэлектрического поля вблизи поверхности при росте матрицы изолированных доменов. Установлено, что изолированные нанодомены зарождаются при обратном переключении, благодаря коррелированному зародышеобразованию. Рост пальцев и затруднение их слияния приводит к формированию доменов-снежинок. Выявлены закономерности влияния эффекта коррелированного зародышеобразования на процессы самоорганизованного роста доменных структур. Исследованы особенности квазирегулярных доменных структур, возникающих в различных одноосных сегнетоэлектриках при неэффективном экранировании. Показано, что переключение поляризации в монокристаллах ниобата лития с поверхностным слоем толщиной 1,5 мкм, модифицированным протонным обменом, приводит к росту самоорганизованных дендритных микродоменных структур. Визуализация методами высокого разрешения показала, что дендритные структуры состоят из доменных полос, ориентированных вдоль X- направлений, которые образуются в результате ветвления трех основных Y-ориентированных лучей. На основе анализа экспериментальных данных была предложена схема роста дендритных структур. Проведено детальное исследование кинетики доменной структуры в монокристаллах танталата лития с составом близким к конгруэнтному. На основании корреляционного анализа самоорганизованных доменных структур сделан вывод об анизотропном росте нанодоменных цепей преимущественно вдоль Х-направлений, а также о периодичности пространственного распределении нанодоменов в цепи. Впервые обнаружен эффект формирования самоорганизованной доменной структуры с умножением пространственной частоты на неполярной поверхности ниобата лития при сканировании заземленным зондом СЗМ после локального приложения электрического поля. Продемонстрирована неоднородность и однополярность инжекции заряда в ниобате лития и их влияние на геометрические параметры и обратное переключение доменной структуры. Показан эффект умножения периода доменной структуры обусловленный взаимодействием между доменами с заряженными доменными стенками. Выявлены закономерности формирования квазирегулярных структур с учетом особенностей распределения переключающего поля и дальнодействующего взаимодействия растущих цепей и лучей доменов при запаздывании экранирования деполяризующих полей. Проведенное методами компьютерного моделирования исследование роста изолированного домена в сегнетоэлектрике с поверхностным диэлектрическим слоем позволило получить сечения сквозного домена на разной глубине. Моделирование позволило объяснить все основные особенности изменения формы изолированного домена с глубиной, экспериментально полученные при переключении поляризации с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена. Показано, что запаздывание объемного экранирования и электростатическое взаимодействие доменов приводит к росту анизотропных упорядоченных дендритных структур на обеих полярных поверхностях при наличии сплошного домена с волнистой границей – в объеме. Исследованы особенности проявления эффектов самоорганизации при формировании доменных структур в градиентном электрическом поле на краю электродов. Экспериментально изучена геометрия и основные параметры самоорганизованных доменных структур, образующихся и растущих вблизи края электродов различной формы. Впервые в ниобате лития удалось реализовать самоорганизованный рост квазирегулярных полосовых нанодоменных структур с рекордно малыми субмикронными периодами. Следует отметить, что период известных квазирегулярных структур в ниобате лития составлял более 4 мкм. Полученный результат представляет исключительный интерес для развития методов доменной инженерии и инженерии доменных стенок.