КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-72-10152

НазваниеИсследование особенностей формирования доменных структур в ниобате лития и танталате лития с поверхностным диэлектрическим слоем при облучении электронами средних энергий

РуководительЧезганов Дмитрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые словаНиобат лития, танталат лития, доменная структура, электронный пучок, переключение поляризации, кинетика доменной структуры, поверхностный диэлектрический слой, повышенные температуры

Код ГРНТИ29.19.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В работе будет впервые проведено комплексное исследование формирования доменной структуры в кристаллах ниобата лития и танталата лития конгруэнтного состава, в том числе и легированных MgO, с поверхностным диэлектрическим слоем при воздействии электронного пучка. Поскольку переключение поляризации в сегнетоэлектрических монокристаллах под действием электрического поля, представляющее собой образование и рост доменов, может быть рассмотрено как аналог фазового перехода первого рода [1,2], изучение закономерностей кинетики доменной структуры представляет собой важную фундаментальную задачу физики конденсированного состояния. Полученные результаты позволят внести существенный вклад в фундаментальное понимание эволюции доменной структуры сегнетоэлектриков в условиях пространственно-неоднородных полей и позволят транслировать их на широкий класс сегнетоэлектрических кристаллов, в том числе и многоосных. Полученные результаты позволят создавать РДС высокого качества, которые могут быть использованы для создания элементов для новых нелинейно-оптических и электрооптических устройств. Создание РДС с малыми периодами традиционным методом, основанном на приложении внешнего электрического поля посредством электродов, сталкивается с рядом проблем, таких как неконтролируемое слияние доменов и самопроизвольное частичное обратное переключение [3]. Также существует ряд технологических проблем, связанных с необходимостью изготовления регулярных высококачественных электродных структур методами фотолитографии. Кроме того, структуры, полученные таким методом, имеют существенно различную скважность по толщине кристалла, что приводит к уменьшению используемой апертуры элемента и к уменьшению максимальной мощности накачки. Заявленная тема исследования связана с развитием альтернативного и бесконтактного метода формирования РДС с заданными геометрическими размерами путем контролируемого облучения поверхности сегнетоэлектриков сфокусированным электронным пучком средних энергий. Метод представляется очень перспективным, поскольку размер электронного пучка легко масштабируется вплоть до нескольких нанометров, что теоретически позволит перейти в субмикронный диапазон периодов РДС. Кром того, метод позволяет обойти все ограничения традиционного метода создания РДС и не требует дополнительных литографических шагов. Стоит отметить, что модификация методики формирования доменов электронным пучком путем нанесения на полярную поверхность поверхностного диэлектрического слоя с высокой концентрацией ловушек заряда позволяет существенно улучшить качество создаваемых этим методом структур [4-6] и является единственной возможностью формирования регулярных полосовых доменных структур [7,8]. Вместе с тем, при дальнейшей отработке технологию можно использовать для создания РДС электронные литографы для изготовления фотошаблонов, что значительно ускорит технологический процесс и увеличит объемы производства. Однако, авторами [4-6] показан только способ улучшения качества РДС, а формирование доменной структуры и ее эволюция лишь частично изучены и только на кристаллах ниобата лития, легированного MgO [7,8], в то время как, известно, что существенную роль в формировании доменной структуры играет состав, дефектность кристалла и его электрические свойства [9]. Также остается не ясна роль некоторых других параметров, таких как толщина кристалла, величина энергии электронов, материала поверхностного диэлектрического слоя. Кроме того, известно, что при традиционном методе формирования РДС широко используются повышенные температуры, поскольку повышение температуры приводит к снижению пороговых полей, существенному ускорению процессов внутреннего экранирования и изменению кинетики доменной структуры и формы доменов [10-11]. В тоже время, в литературе отсутствует данные по сочетанию облучения электронным пучком и повышенных температур. В ходе выполнения проекта будут решаться следующие основные задачи: Облучение кристаллов ниобата лития и танталата лития конгруэнтного состава с поверхностным диэлектрическим слоем: 1. Экспериментальное исследование морфологии и определение основных закономерностей геометрических параметров доменных структур, полученных в результате точечного, линейного и полосового облучения при комнатной и повышенных температурах. 2. Изучение влияния материала поверхностного диэлектрического слоя на формирование доменной структуры. 3. Визуализация и исследование доменной структуры в объеме кристалла и реконструкция ее эволюции. Облучение электронным пучком кристаллов конгруэнтного ниобата лития, легированного MgO (MgOCLN), с поверхностным диэлектрическим слоем: 1. Исследование пространственной неоднородности РДС, созданных при различных параметрах облучения, методом генерации второй гармоники. 2. Изучение особенности переключения кристаллов различной толщины и изучение влияния низких энергий электронов на формирования доменной структуры. Выявление оптимальных параметров для формирования РДС с наименьшим периодом. 3. Выявление особенностей формирования доменной структуры при облучении кристаллов с поверхностным диэлектрическим слоем с периодическим изменением толщины резиста, сочетанием нескольких диэлектрических и металлических слоев. Для решения этих задач будет использован набор современных методик, таких как современные методы пробоподготовки образцов, нанесения диэлектрических и проводящих покрытий с контролируемой толщиной, резки, шлифовки и полировки кристаллов до оптического качества с прецизионной точностью; облучение кристаллов в камере сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с контролем параметров облучения системой электронно-лучевой литографии; нагрев и охлаждение кристаллов в условиях вакуума непосредственно в камере СЭМ; визуализация доменных конфигураций неразрушающими методами сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика и сканирующей электронной микроскопии с высокими пространственным разрешением; неразрушающий метод визуализации доменных конфигураций в объеме методом конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния; метод генерации второй гармоники с пространственным сканированием для оценки пространственного распределения эффективности преобразования частоты лазерного излучения. При описании эволюции доменной структуры в пространственно-неоднородных внешних полях будет учитываться экранирование деполяризующих полей. Для описания особенностей эволюции микро- и нанодоменной структуры будет использован оригинальный кинетический подход. Таким образом, предлагаемые в проекте экспериментальные и теоретические методы и подходы дополняют друг друга, что позволяет провести комплексное исследование и получить достоверные результаты, обладающие большой научной и практической значимостью. 1. Y. Ishibashi and Y. Takagi, J. Phys. Soc. Jpn. 31, 506 (1971). 2. V. Shur, E. Rumyantsev, and S. Makarov, J. Appl. Phys. 84, 445 (1998). 3. V .Ya. Shur, E.L. Rumyantsev, E.V. Nikolaeva, E.I. Shishkin, R.G. Batchko, G.D. Miller, M.M. Fejer, and R.L. Byer, Ferroelectrics 236, 129 (2000). 4. Y. Glickman, E. Winebrand, A. Arie, G. Rosenman, Appl. Phys. Lett. 88, 011103 (2006). 5. X. Li, K. Terabe, H. Hatano, K. Kitamura, J. Cryst. Growth. 292, 324 (2006). 6. X. Li, K. Terabe, H. Hatano, K. Kitamura, Jpn. J. Appl. Phys. 45, L399 (2006). 7. D.S. Chezganov, M.M. Smirnov, D.K. Kuznetsov, V.Ya. Shur, Ferroelectrics 476, 117 (2015). 8. V.Ya. Shur, D.S. Chezganov, A.R. Akhmatkhanov, D.K. Kuznetsov, Appl. Phys. Lett. 106, 232902 (2015). 9. J. Son, Y. Yuen, S.S. Orlov, L. Galambos, L. Hesselink, J. Cryst. Growth 280, 135 (2005). 10. C. C. Battle, S. Kim, V. Gopalan, K. Barkocy, M. C. Gupta, Q. X. Jia, and T. E. Mitchell, Appl. Phys. Lett. 76, 2436 (2000). 11. V. Ya. Shur, A. R. Akhmatkhanov, D. S. Chezganov, A. I. Lobov, I. S. Baturin, and M. M. Smirnov, Appl. Phys. Lett. 103, 242903 (2013).

Ожидаемые результаты
1. Особенности морфологии и основные закономерности геометрических параметров доменных структур, полученных облучением электронным пучком кристаллов ниобата лития и танталата лития конгруэнтного состава, в том числе легированных MgO, с поверхностным диэлектрическим слоем при комнатной и повышенных температурах. 2. Результаты изучения влияния различных поверхностных искусственных диэлектрических слоев на формирование доменной структуры при облучении электронным пучком. 3. Результаты исследования доменной структуры в объеме методом конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния, реконструкция эволюции доменной структуры в процессе переключения под действием электронного пучка и выводы об ее особенностях. 4. Результаты исследования пространственной неоднородности периода доменной структуры в кристаллах MgOСLN методом генерации второй гармоники, количественная оценка качества РДС, полученной при различных условиях облучения, выводы о пространственной неоднородности периода в объеме кристалла в зависимости от условий облучения. 5. Зависимость морфологии и геометрических размеров доменных структур от толщины пластины MgOСLN. Выводы о влияние ограничения времени прямого прорастания на формирование доменов и их размеров. 6. Результаты исследования особенностей формирования РДС при облучение электронным пучком пластин MgOCLN с поверхностным диэлектрическим слоем с периодическим изменением толщины резиста, сочетанием нескольких диэлектрических и металлических слоев. Результаты позволять изучить граничные эффекты при формировании эффективных электродов пространственного заряда. 7. Результаты исследования влияния низких энергий электронов на формирования доменной структуры. Известно, что соотношение толщины резиста и энергии электронов определяет тип формируемой доменной структуры. Между тем, уменьшение энергии электронов приводит к уменьшению области рассеяния электронов в мишени, а значит уменьшению размеров эффективного электрода. Одновременно, уменьшение энергии электронов приводит к изменению коэффициента полной вторичной электронной эмиссии, а значит изменению условий формирования пространственного заряда. Результаты позволять изучить влияние этих эффектов на формированной доменной структуры и оптимизировать процесс создания РДС с наименьшим периодом. Работы по проекту будут выполнены с использованием современного оборудования мирового класса на базе УЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ. У автора проекта имеется большой задел и опубликовано более 10 публикаций по тематике проекта в высокорейтинговых рецензируемых зарубежных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus. У автора имеется длительный опыт в исследовании свойств сегнетоэлектрических кристаллов, опыт руководства грантами проектами такого уровня (гранты РФФИ и Президента РФ) и участия в качестве исполнителя грантов РФФИ, РНФ, ФЦП. Все ожидаемые результаты обладают мировой новизной и соответствуют мировому уровню исследований в данной области и современным тенденциям доменной инженерии. Полученные результаты позволят расширить современные представления о физике сегнетоэлектриков и о переключении поляризации в условиях пространственно-неоднородных полей, создаваемых пространственными зарядами при облучении электронным пучком, в кристаллах ниобата лития и танталата лития различного состава. Впервые будут проанализированы особенности роста доменов при воздействии двух факторов: поля пространственного заряда, создаваемого при облучении электронным пучком, и температуры. Переключение при повышенных температурах позволит дополнить преимущества фокусированного электронного пучка для формирования РДС заданной геометрии. Впервые будет исследована доменная структура, возникшая при облучении электронным пучком, в объеме кристалла, что позволит воссоздать эволюцию доменов во время переключения. Использование различных диэлектрических слоев с разной концентрацией ловушек позволит изучить формирование доменной структуры с различной эффективностью внешнего экранирования. Облучение кристаллов различной толщины при низких ускоряющих напряжения позволит перейти в новый диапазон размеров доменов и периодов РДС, что в перспективе позволит достичь субмикронных периодов регулярных доменных структур и продемонстрировать новые нелинейно-оптические эффекты, которые усилено исследовались на теоретическом уровне, но не были показаны экспериментально в связи с отсутствием необходимых материалов. С практической точки зрения, результаты позволят оптимизировать разрабатываемую методику и позволят создавать РДС высокого качества, которые могут быть использованы для создания элементов удвоения частоты лазерного излучения для получения эффективных и недорогих источников когерентного излучения, например, в зелено-красной области спектра, а также для создания оптических параметрических генераторов для получения излучения в области ближнего и среднего ИК для применения в медицине и для зондирования атмосферы. Так же результаты позволят создавать новые типы лазерных систем и существенно уменьшить энергопотребление и снизить стоимость лазеров. В перспективе переход в субмикронный диапазон периодов позволит продемонстрировать новые нелинейно-оптические эффекты, и использовать их в телекоммуникационной сфере, устройствах квантовой связи и элементах интегральной оптики. Ключевыми факторами конкурентоспособности таких приборов будут их малогабаритность, низкое энергопотребление, повышенная эффективность и быстродействие.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Целью работы являлось изучение особенностей формирования и эволюции доменной структуры в одноосных сегнетоэлектрических кристаллах с поверхностным диэлектрическим слоем при переключении поляризации под воздействием электронного пучка. Изучены особенности формирования доменной структуры при облучении электронным пучком при комнатной и повышенных температурах кристаллов конгруэнтного ниобата лития с полярной поверхностью, покрытой слоем негативного электронно-лучевого резиста в качестве диэлектрика. Исследованы особенности морфологии изолированных доменов. Показано, что точечное облучение приводит к формированию на облучаемой полярной поверхности доменов шестиугольной формы, а увеличение дозы – к появлению областей с противоположным направлением спонтанной поляризации внутри шестиугольного домена в результате самопроизвольного обратного переключения, вызванного быстрой релаксацией заряда. Выявлены основные типы доменных структур, формирующих при полосовом облучении в зависимости от дозы облучения. Показано, что домены в результате прямого прорастания появлялись на противоположной полярной поверхности в виде квазирегулярных цепей изолированных шестиугольных микродоменов в следствии эффективного экранирования, создаваемыми металлическим электродом. Установлена аналогия между переключением под действием импульсов электрического поля различной амплитуды и длительности и облучением с различными дозами заряда, в результате которой различные типы доменной структуры были рассмотрены как различные стадии ее эволюции: (1) дискретное переключение, (2) рост доменных лучей, (3) слияние доменов, ведущее к формированию структуры «рыбий скелет», (4) формирование полосовых доменов, (5) уширение полосового домена за счет бокового движения доменных стенок. Предложен механизм дискретного формирования доменов. Установлены основные закономерности геометрических параметров доменных структур, полученных в результате точечного, линейного и полосового облучения. Анализ доменных изображений показал, что эффективный размер доменов, полученных в результате точечного облучения, нелинейно возрастает с увеличением дозы, что было отнесено за счет особенностей кинетики инжектированного заряда, величина которого выходит на насыщение и определяется константой времени зарядки облучаемого материала. Определено пороговое значение дозы 1,4 пКл. Для количественного описания эволюции доменов при полосовом облучении с увеличением дозы на различных стадиях использованы зависимости: (1) – (2) плотности доменов, длины и периода доменных лучей, (3) – (4) средней длины лучей и относительной длины доменной стенки, (5) ширины доменной стенки. Определена пороговая доза, необходимая для формирования сплошных доменных полос с плоской доменной стенкой. Выявлены особенности формирования доменов при повышенных температурах. Показано, что зависимость от дозы имеет нелинейный характер аналогично случаю комнатной температуры, однако увеличение температуры до 200 °С приводило к увеличению размеров переключенной области в два раза, что было отнесено за счет уменьшения пороговых полей. Обнаружена потеря устойчивости формы изолированных доменов и формирование бесформенных доменов при повышении температуры до 100 °С. Показано, что дальнейшее увеличение температуры (выше 100 ºC) приводит к дискретному формированию изолированных доменов в области облучения. Обнаружен эффект ветвления (появления ветвей второго поколения) на доменных линиях при температуре 250 °С. Установлено, что домены прорастали сквозь всю толщину кристаллической пластины только при комнатной температуре. Выявленные эффекты отнесены за счет перехода к дискретному переключению и коррелированному зародышеобразованию при переключении в сильно неравновесные условия за счет существования искусственного диэлектрического слоя и увеличения диэлектрической проницаемости при повышении температуры. Переход от детерминированного к стохастическому зародышеобразованию на доменной стенке за счет изменения доминирующего механизма объемной проводимости с электронного на ионный приводил к независимому росту доменов после и формированию доменных структур сложной формы, включая дендритоподобные доменные структуры. Проведена реконструкция эволюции несквозных доменных структур на полярной поверхности по серии изображений, полученных на разной глубине в объеме кристалла. Согласно принципу «чем глубже, тем раньше» выявлены основные стадии роста доменной структуры в процессе переключения под действием электронного пучка. Показано, что стадии качественно совпадают со стадиями, выявленными по доменным конфигурациям, полученным при различных дозах облучения на полярной поверхности. Исследована пространственная неоднородность регулярных доменных структур (РДС), созданных при различных параметрах облучения электронным пучком кристаллов конгруэнтного ниобата лития, легированного MgO, с поверхностным диэлектрическим слоем, методом генерации второй гармоники. Показано, что избыточное накопление заряда на облучаемой поверхности может приводить к неоднородностям РДС за счет отклонения электронов первичного пучка от заданной траектории. Экспериментально и при помощи компьютерного моделирования электронных траекторий методом конечных элементов продемонстрировано, что эффект может быть существенно уменьшен при увеличении энергии электронов. Количественная оценка качества РДС показала, что увеличение ускоряющего напряжения от 10 до 14 кВ приводит к улучшению пространственной однородности периода РДС. Возрастание мощности излучения на длине волны второй гармоники и, соответственно, эффективности ГВГ процесса подтверждает этот факт. Измерение пространственного распределения мощности генерации показало, что скважность РДС меняется вдоль полярной оси Z (по толщине кристалла), что было отнесено за счет уширения доменов вблизи Z+ полярной поверхности. Пространственное распределение температуры квазисинхронизма и рассчитанного из нее периода РДС указывает на однородность структуры вдоль полярного направления, тогда как однородность вдоль Y направления зависит от величины ускоряющего напряжения. Наилучшая однородность РДС получена при 14 кВ, достигнута мощность излучения 2,1 мВт и эффективность генерации 0,3 %/Вт. Сравнительный анализ полученных результатов с результатами тестирования эталонного элемента с РДС, созданного методом переключения во внешнем электрическом поле, показал, что РДС, созданная электронным пучком, обладает лучшей однородностью периода, тогда как эффективность генерации может быть повышена за счет улучшения скважности РДС. Проведено численное моделирование влияния искажения величины периода РДС на температурную зависимость интенсивности ГВГ. Анализ результатов моделирования показал, что наличие участков с разными периодами приводит к эффектам, аналогичным дефектам стыковки полей записи, а именно к: (1) появлению нескольких пиков с высокой интенсивностью, (2) к смещению основного пика относительно положения пика в РДС с постоянным периодом, (3) снижению интенсивности основного пика. Величина эффектов зависит от различия в периоде участков и от количества таких участков. Наличие в РДС как участков с разным периодом, так и дефектов стыковки, приводит к сложной форме температурной зависимости ГВГ. Изучено влияния материала поверхностного диэлектрического слоя на особенности формирования доменной структуры при облучении электронным пучком кристаллов ниобата лития. Измерены зависимости характерных размеров доменов от дозы облучения и ускоряющего напряжения для различных диэлектрических слоев. Показано, что увеличение дозы, как и ускоряющего напряжения, приводило к нелинейному увеличению размеров доменов. Выявлены основные особенности морфологии доменов, полученных с использование различных диэлектрических слоев. Установлено, что для рассматриваемых диэлектрических слоев общим является изотропный рост доменов, обусловленный эффектом стохастического коррелированного зародышеобразования. Показано, что увеличение ускоряющего напряжения приводило к формированию квазирегулярных доменных пальцев впереди плоской доменной стенки, преимущественно ориентированных вдоль Y-кристаллографического направления. Продемонстрировано, что варьируя дозу и ускоряющее напряжение возможно получить плоскую доменную стенку у доменных полос. Показано, что параметрами, определяющими форму доменных конфигураций сегнетоэлектрических кристаллов в сильно неравновесных условиях облучения электронным пучком и существования диэлектрического слоя, являются электрическое поле и эффективность экранирования деполяризующего поля. Полученные результаты могут быть использованы для развития методов доменной инженерии на основе бесконтактного формирования доменных структур облучением электронным пучком для создания нелинейно-оптических кристаллов с модифицированными оптическими свойствами для применения в устройствах преобразования частоты лазерного излучения и компонентной базы интегральной оптики.

 

Публикации

1. В.Я. Шур, Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, М.А. Чувакова Domain Formation by Electron Beam in Congruent Lithium Niobate Abstract book of the ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM Joint Conference, - (год публикации - 2018).

2. Власов Е.О., Чезганов Д.С., Чувакова М.А., Шур В.Я. The Ferroelectric Domain Structures Induced by Electron Beam Scanning in Lithium Niobate Scanning, Volume 2018, article ID 7809826,1-6 (год публикации - 2018).

3. Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, Е.М. Васькина, К.В. Масляная, П.С. Зеленовский, В.Я. Шур Study of features of domain structure formation induced by electron beam irradiation of congruent lithium niobate crystals covered by dielectric layer Abstract book of International conference Scanning probe microscopy 2017 (SPM-2017), p. 79-80 (год публикации - 2017).

4. Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, М.А. Чувакова, В.Я. Шур Study of domain formation after electron beam irradiation of lithium niobate single crystals Abstract book of the European Conference on Applications of Polar Dielectrics (ECAPD-2018), - (год публикации - 2018).

5. Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, М.А. Чувакова, В.Я. Шур Domain Formation Induced in Congruent Lithium Niobate by Electron Beam Irradiation Abstract book of he 14th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-2018), - (год публикации - 2018).

6. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, А.Р. Ахматханов, В.Я. Шур Формирование доменной структуры в кристаллах конгруэнтного ниобата лития при облучении электронным пучком Тезисы докладов VIII Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества, стр. 181 (год публикации - 2017).

7. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гимадеева, Е.М. Васина, В.Я. Шур Domain patterning of LiTaO3 by electron and ion beams Abstract book of the European Conference on Applications of Polar Dielectrics (ECAPD-2018), - (год публикации - 2018).

8. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гимадеева, М.А. Чувакова, В.Я. Шур The ferroelectric domain pattern formation under the action of an electron beam in lithium niobate crystals Тезисы V Международной молодежной научной конференции «Физика. Технологии. Инновации» (ФТИ-2018), - (год публикации - 2018).

9. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гимадеева, М.М. Нерадовский, Е.А. Нерадовская, H. Tronche, F. Doutre, P. Baldi, C. Montes, M. P. De Micheli, В.Я. Шур Second Harmonic Generation in PPLN Waveguides Poled by Electron Beam Irradiation Abstract book of the 14th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-2018), - (год публикации - 2018).

10. Нерадовский М.М., Нерадовская Е.А., Чезганов Д.С., Власов Е.О., Шур В.Я., Трое Э., Доутре Ф.,Яенью Г., Бали П., Де Мичели М., Монтес К. Second harmonic generation in periodically poled lithium niobate waveguides with stitching errors Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, Volume 35, Issue 2, Pages 331-336 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Целью работы являлось изучение особенностей формирования и эволюции доменной структуры в одноосных сегнетоэлектрических кристаллах с поверхностным диэлектрическим слоем при переключении поляризации под воздействием электронного пучка. Были получены следующие основные результаты: Изучены особенности формирования доменной структуры при облучении электронным пучком кристаллов конгруэнтного танталата лития с поверхностным диэлектрическим слоем при комнатной и повышенных температурах. Выявлены особенности морфологии изолированных доменов. Показано, что точечное облучение при комнатной температуре приводит к формированию доменов круглой формы на облучаемой поверхности, в то время как на противоположной стороне формируются домены треугольной формы. При комнатной температуре обнаружено искажение формы доменов в результате спонтанного обратного переключения за счет запаздывания объемного экранирования. Изучено формирование доменов в результате облучения вдоль линии. Установлена аналогия между переключением при облучении с различными дозами и переключением под действием импульсов электрического поля разной амплитуды и длительности, на основе которой различные типы доменной структуры были рассмотрены как различные стадии ее эволюции. При высоких дозах обнаружен эффект неустойчивости формы доменной стенки в виде формирования доменных «пальцев», который был объяснен неравновесными условиями переключения. Установлены основные закономерности геометрических параметров доменных структур, полученных в результате точечного, линейного и полосового облучения. Выявлены пороговые дозы формирования доменов. Выявлено линейное увеличение переключенной площади доменов с дозой, что обусловлено внешним экранированием деполяризующего поля инжектированными электронным пучком зарядами, действующими как ток во внешней цепи в случае традиционного переключения. Для изолированных доменов и доменов в матрицах, полученных при точечном облучении, выявлено различие в размерах, обусловленное электростатическим взаимодействием заряженных доменных стенок. Установлено, что линейное и полосовое облучение подобны в исследуемом диапазоне доз. Для количественного описания эволюции доменов при облучении вдоль линии с увеличением дозы использована плотность доменов, формирующихся внутри облучаемой области, которая линейно убывала с дозой в результате слияния и последующего формирования сплошного домена. Определены пороговые дозы, необходимые для формирования сплошных доменных полос с плоской доменной стенкой. Выявлены особенности формирования доменов облучением электронным пучком при повышенных температурах. Показано, что площадь доменов после точечного облучения и ширина доменных полос после облучения вдоль линии линейно увеличиваются с дозой во всем исследуемом температурном диапазоне. Увеличение размеров доменов с температурой отнесено за счет понижения порогового поля. Установлено качественное изменение морфологии доменов при изменении температуры и дозы. Повышение температуры приводило к исчезновению эффекта спонтанного обратного переключения, обнаруженного при комнатной температуре, в результате возрастания эффективности объемного экранирования. При низких дозах обнаружено формирование ансамблей изолированных субмикронных доменов в области облучения, которые с увеличением дозы сливались и образовывали сплошной домен. Дальнейшее увеличение дозы приводило к образованию «пальцев» на доменной стенке. Проведена реконструкция эволюции несквозных доменных структур на полярной поверхности по серии изображений, полученных на разной глубине в объеме кристалла. Согласно принципу «чем глубже, тем раньше» выявлены основные стадии роста доменной структуры в процессе переключения под действием электронного пучка. Показано, что стадии качественно совпадают со стадиями, выявленными по доменным конфигурациям, полученным при различных дозах на полярной поверхности. Неправильная форма доменов в объеме кристалла отнесена за счет слияния с доменами, существующими перед доменной стенкой, и стохастического зародышеобразования при повышенных температурах. Визуализация на различной глубине матриц сквозных доменов, созданных при комнатной температуре, выявила постепенное изменение формы доменов в объеме кристалла от круглой на облучаемой полярной поверхности до треугольной на противоположной стороне за счет условий эффективного экранирования, создаваемыми металлическим электродом. Изучены особенности морфологии и зависимости геометрических размеров доменных структур от толщины пластины MgOСLN, толщины слоя резиста и энергии электронов. Показано, что зависимости площади доменов, созданных в результате облучения матриц точек, и ширины полосовых доменов в решетке от дозы имеют линейный характер в пластинах различной толщины, что объяснено внешним экранированием деполяризующего поля инжектированным зарядом, при котором площадь переключения пропорциональна заряду. Обнаружено увеличение размеров доменов в 2,5 раза в пластинах толщиной менее 100 мкм по сравнению с пластинами толщиной 1 мм, что было отнесено за счет более короткой стадии прямого прорастания доменов. Показано, что при расстояниях между сближающимися доменными стенками менее 2 мкм наблюдается уменьшение размеров доменов независимо от толщины кристалла, что отнесено за счет взаимодействия заряженных доменных стенок. Обнаружен эффект подавления формирования доменов в произвольных позициях матрицы при больших расстояниях между доменными стенками в кристаллах толщиной 1 мм, что объяснено взаимодействием доменов в процессе прямого прорастания, в то время как эффект отсутствует в тонких кристаллах, поскольку время сквозного прорастания в них на несколько порядков меньше. Показано отсутствие различия морфологии доменов при изменении толщины пластин. Обнаружено, что уменьшение толщины слоя резиста приводит к уменьшению размеров создаваемых доменных структур за счет делокализации пространственного заряда в результате проникновения большей части инжектированных электронов через границу резист/LN в кристалл c уменьшением толщины резиста. Продемонстрирована возможность формирования сквозной полосовой регулярной доменной структуры (РДС) с периодом до 1,5 мкм в кристаллических пластинах толщиной 1 мм. Показано, что изменение энергии электронов приводит к незначительным изменениям размеров доменов, что обусловлено равенством значений экранирующего заряда. Полученные данные были использованы для создания сквозных РДС с малыми (до 1,5 мкм) периодами в кристалле толщиной 7 мкм. При помощи визуализации РДС в объеме показано, что получены сквозные доменные структуры с вертикальными стенками. Исследованы особенности формирования РДС при облучении электронным пучком пластин MgOCLN с поверхностным диэлектрическим слоем с периодическим изменением толщины резиста. Выделены основные стадии формирования доменов: (1) формирование цепей микро- и нанодоменов по краям областей с малой толщиной резиста и (2) слияние микро- и нанодоменов с последующим формированием сплошных полосовых доменов. Стадии были описаны при помощи зависимостей плотности доменов и скважности сплошных полосовых доменов от дозы. Полученные данные позволили создать однородные РДС высокого качества с практически вертикальными доменными стенками, что было подтверждено результатами оптических измерений распределения интенсивности генерации второй гармоники вдоль полярного направления. Показано преимущество разработанного метода над традиционным и продемонстрирована возможность контроля ширины получаемых доменов. Изучено формирование доменных структур при облучении электронным пучком пластин MgOCLN с сочетанием периодических электродов и поверхностного диэлектрического слоя. Показано, что при низких дозах формируются цепи изолированных нанодоменов расположенные вдоль электродов на равном расстоянии от них. Повышение дозы приводило к увеличению количества нанодоменов и их последующему слиянию и формированию сплошных полосовых доменов. Обнаружено, что наличие электродов на поверхности приводит к отсутствию доменов в областях с электродами. Для объяснения полученных результатов было использовано численное моделирование распределения амплитуды полярной компоненты электрического поля, созданного внедренным зарядом, в исследуемых системах, которое помогло объяснить выявленные особенности формирования доменов. Полученные результаты дают новое представление о формировании метастабильных доменных структур при переключении в сильнонеравновесных условиях переключения и могут служить научной основой для применений в наноиндустрии оптических и нелинейно-оптических преобразователях частоты и электро-оптических устройствах. Результаты работ по проекту представлены на российских и международных конференциях, подготовлены к публикации 2 статьи в международных рецензируемых изданиях, индексируемых в Web of Science и Scopus, в том числе в издании, входящем в Q1. Страница в сети интернет, посвященная проекту: https://www.researchgate.net/project/Investigation-of-the-features-of-the-formation-of-domain-structures-in-lithium-niobate-and-lithium-tantalate-crystals-with-a-surface-dielectric-layer-upon-irradiation-by-medium-energy-electrons

 

Публикации

1. Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, А.А.Есин, М.А.Чувакова, В.Ю. Михайловский, П.С. Зеленовский, В.Я. Шур Domain patterning by focused electron beam in wide temperature range in lithium niobate crystal with surface dielectric layer Scanning Probe Microscopy. Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 26-29, 2018) Ekaterinburg, Ural Federal University, 2018, p. 78 (год публикации - 2018).

2. Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, М.А. Чувакова, В.Ю. Михайловский, В.Я. Шур Domain Patterning by Electron Beam Irradiation in Lithium Niobate and Lithium Tantalate Crystals Book of abstracts XIV International Symposium on Ferroic Domains, Barcelona, Spain, September 26-28, 2018, p. 83 (год публикации - 2018).

3. Е.А. Пашнина, Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Л.В. Гимадеева, Е.Д. Грешняков, М.А. Чувакова, В.Я. Шур Electron beam domain patterning in thin plates of magnesium doped lithium niobate езисы VI Международной молодежной научной конференции «Физика. Технологии. Инновации» (ФТИ-2019), - (год публикации - 2019).

4. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гемадеева, М.А. Чувакова, В.Я. Шур Domain patterning in congruent lithium niobate by electron beam irradiation at elevated temperatures Тезисы VI Международной молодежной научной конференции «Физика. Технологии. Инновации» (ФТИ-2019), - (год публикации - 2019).

5. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гимадеева, Е.А. Пашнина, Е.Д. Грешняков, М.А. Чувакова, В.Я. Шур E-beam domain patterning in thin plates of MgO-doped LiNbO3 Ferroelectrics, - (год публикации - 2019).

6. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, Л.В. Гимадеева, М.А. Чувакова, П.С. Зеленовский, В.Я. Шур Domain creation by electron and ion beams in lithium tantalate crystals Scanning Probe Microscopy. Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 26-29, 2018) Ekaterinburg, Ural Federal University, 2018, p. 226 (год публикации - 2018).

7. Е.О. Власов, Д.С. Чезганов, М.М. Нерадовский, А.Р. Ахматханов, И.С. Батурин, В.Я. Шур Characterization of Periodical Domain Patterns Created by Electron Beam in MgO-doped Lithium Niobate by Second Harmonic Generation Book of abstracts XIV International Symposium on Ferroic Domains, Barcelona, Spain, September 26-28, 2018, p. 106 (год публикации - 2018).

8. К.В. Масляная, Д.С. Чезганов, Е.О. Власов, Д.К. Кузнецов, Е.Д. Грешняков, В.Я. Шур Influence of charge compensation methods on ferroelectric domain formation upon focused ion beam irradiation in lithium niobate crystals Abstract book of Association of Sino-Russian Technical Universities (ASRTU) meeting 2018, July 9-16, 2018, Ekaterinburg, Russia, p. 61-62 (год публикации - 2018).

9. Чезганов Д.С., Власов Е.О., Пашнина Е.А., Чувакова М.А., Есин А.А., Грешняков Е.Д., Шур В.Я. Domain structure formation by electron beam irradiation in lithium niobate crystals at elevated temperatures Applied Physics Letters, vol. 115, p. 092903 (год публикации - 2019).


Возможность практического использования результатов
Полученные результаты дают новое представление о переключении в сильнонеравновесных условиях и формировании доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах в поле заряда, созданного в результате облучения электронным пучком, а также послужат научной основой для развития методов доменной инженерии для усовершенствования оптических и нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения и устройств хранения информации, а также для создания новых вычислительных устройств. Вместе с тем, при дальнейшей отработке технологии можно использовать электронные литографы для создания РДС, что значительно ускорит технологический процесс и увеличит объемы производства.