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 19-72-00083

НазваниеИсследование кинетики сверхбыстрых доменных стенок в монокристаллах ниобата лития

РуководительАхматханов Андрей Ришатович, 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 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «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 словапереключение поляризации, кинетика доменной структуры, доменные стенки, ниобат лития

Код ГРНТИ29.19.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы физики неравновесных состояний, связанной с изучением и описанием эволюции структур, включающих существенно разномасштабные по времени процессы. В качестве модельного объекта будет рассмотрена эволюция формы доменов, включающая кинетику сверхбыстрых доменных стенок, в процессе переключения поляризации в сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития. Научная значимость планируемых исследований определяется тем, что будут исследована эволюция метастабильных структур, включающая сверхбыстрые процессы перестройки, в модельной однородной системе, параметры которой будут контролируемо изменяться в широких пределах, с визуализацией процесса с высоким разрешением по времени. Актуальность проблемы связана с дальнейшим развитием методов создания регулярных сегнетоэлектрических доменных структур, содержащих доменные стенки произвольной ориентации, таких как веерные доменные структуры для параметрической генерации света с широкой перестройкой и кольцеобразные доменные структуры для создания дифракционных оптических элементов. Будет проведено экспериментальное исследование кинетики основных типов доменных стенок в монокристаллах семейства ниобата лития, в первую очередь сверхбыстрых как наименее исследованных. Будут решаться следующие конкретные фундаментальные задачи: 1) Экспериментальное исследование формирования и движения сверхбыстрых доменных стенок в монокристаллах семейства ниобата лития. Построение кинетической диаграммы Вульфа для скоростей доменных стенок. 2) Исследование зависимости параметров кинетики сверхбыстрых доменных стенок от величины внешнего поля. 3) Исследование методами компьютерного моделирования эволюции формы доменов с учетом формирования и движения сверхбыстрых доменных стенок. 4) Исследование связи между эволюцией сверхбыстрой доменной стенки и формой соответствующего пика тока переключения. Поставленная задача представляет собой первое в мировой практике систематическое экспериментальное исследование кинетики сверхбыстрых доменных стенок в модельных сегнетоэлектрических кристаллах семейства ниобата лития с использованием комплекса взаимодополняющих методов. Следует отметить, что на данный момент отсутствуют экспериментальные работы по построению кинетическим диаграмм Вульфа в сегнетоэлектриках. Принципиальную роль играет имеющееся экспериментальное оборудование и опыт in situ визуализации кинетики доменной структуры с разрешением по времени до 12 мкс. Будет проводиться оригинальное компьютерное моделирование эволюции формы доменов с учетом формирования и движения сверхбыстрых доменных стенок на основе экспериментальное измеренных кинетических диаграмм Вульфа.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты: 1) Основные экспериментальные условия, при которых возникают сверхбыстрые доменные стенки в монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава при переключении в однородном поле из исходного монодоменного состояния. 2) Геометрические параметры доменов специальной формы, содержащих все основные типы вогнутых углов, в которых формируются сверхбыстрые доменные стенки. Данные домены могут быть использованы для измерения максимумов на кинетической диаграмме Вульфа для всех одноосных сегнетоэлектрических монокристаллов с симметрией C3v. 3) Экспериментально измеренная кинетическая диаграмма Вульфа для монокристаллов ниобата лития конгруэнтного состава. 4) Закономерности взаимосвязи между движением сверхбыстрых доменных стенок и формой пиков тока переключения в монокристаллах конгруэнтного ниобата лития. 5) Основные экспериментальные условия при которых возникают сверхбыстрые доменные стенки в монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных магнием при переключении в однородном поле из исходного монодоменного состояния. 6) Экспериментально измеренные кинетические диаграммы Вульфа для монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава и легированных магнием. 7) Закономерности взаимосвязи между движением сверхбыстрых доменных стенок и формой пиков тока переключения в монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных магнием. 8) Общие закономерности формирования и кинетики сверхбыстрых доменных стенок в монокристаллах семейства ниобата лития. 9) Результаты компьютерного моделирования эволюции формы доменов в монокристаллах семейства ниобата лития на основе экспериментально измеренных кинетических диаграмм Вульфа Исследование кинетики сверхбыстрых доменных стенок представляет собой значительный интерес для развития методов доменной инженерии для создания регулярных доменных структур стенок с произвольной ориентацией. Кроме того, в соответствии с проявившейся в последние годы и активно развивающейся парадигмой "доменная стенка как функциональный элемент наноэлектроники" исследование методов создания и управления кинетикой сверхбыстрых доменных стенок позволит заложить фундаментальные основы функциональных устройств наноэлектроники в рамках данной парадигмы с повышенным быстродействием.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы физики неравновесных состояний, связанной с изучением и описанием эволюции структур, включающих существенно разномасштабные по времени процессы. В качестве модельного объекта была рассмотрена эволюция формы доменов, включающая кинетику сверхбыстрых доменных стенок, в процессе переключения поляризации в сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития. В ходе выполнения проекта получены следующие основные результаты. Выявлены основные экспериментальные условия, при которых возникают сверхбыстрые доменные стенки в монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава при переключении в однородном поле из исходного монодоменного состояния. Показано, что во всем исследованном диапазоне полей сверхбыстрые доменные стенки возникают в процессе слияния доменов. При этом доля площади, переключенная за счет движения сверхбыстрых стенок, составляет более 80% от всей переключенной площади, что говорит о том, что движение именно этого типа стенок играет доминирующую роль в процессе переключения поляризации. Проведена классификация основных типов слияния доменов на основе образующихся вогнутых углов. Предложены геометрические параметры и созданы с использованием методов фотолитографии домены специальной Х-образной формы, содержащие все основные типы вогнутых углов, в которых формируются сверхбыстрые доменные стенки. Измерение экстремумы на кинетической диаграмме Вульфа за счет анализа кинетики сверхбыстрых доменных стенок при переключении доменов Х-образной формы. Определены три широких глобальных максимума, определяющих движение доменных стенок при слиянии доменов в вогнутых углах 60° и 120° в Y+ направлении; шесть локальных максимумов и три локальных минимума, определяющих движение доменных стенок в вогнутом угле 120° в Y- направлении; а также шесть глобальных минимумов, определяющих форму изолированных доменов. Измерена зависимость скорости сверхбыстрых доменных стенок от величины внешнего поля. Показано, что скорости для всех типов стенок следуют активационной полевой зависимости с одинаковым значением поля смещения. Установлены закономерности взаимосвязи между движением сверхбыстрых доменных стенок и формой пиков в токе переключения (импульсов Баркгаузена). Показано, что импульсы Баркгаузена соответствуют движению короткоживущих сверхбыстрых доменных стенок, сформированных в процессе слияния доменов. Процессы слияния, а также соответствующие им импульсы Баркгаузена, классифицированы по совокупности вогнутых углов, образованных при слиянии. Показано, что аппроксимация токов переключения, основанная на расчете движения основных типов сверхбыстрых доменных стенок, позволяет измерять скорости сверхбыстрых стенок с точностью, превосходящей точность метода in situ визуализации (прямого наблюдения).

 

Публикации

1. - В России создадут элементную базу для диагностики болезней по дыханию ТАСС Наука, - (год публикации - ).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы физики неравновесных состояний, связанной с изучением и описанием эволюции структур, включающих существенно разномасштабные по времени процессы. В качестве модельного объекта была рассмотрена эволюция формы доменов, включающая кинетику сверхбыстрых доменных стенок, в процессе переключения поляризации в сегнетоэлектрических монокристаллах ниобата лития. В ходе выполнения проекта получены следующие основные результаты. Выявлены основные экспериментальные условия при которых возникают сверхбыстрые доменные стенки в монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава (SLN), в легированных 5 мол.% оксида магния монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава (MgOCLN) и в легированных 1.3 мол.% оксида магния монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава (MgOSLN) при переключении в однородном поле из исходного монодоменного состояния. Проведена классификация основных типов слияния доменов на основе образующихся вогнутых углов (60°, 120° ориентированный в направлении Y+, 120° ориентированный в направлении Y-). В кристаллах SLN, MgOCLN и MgOSLN экспериментально измерена зависимость скоростей доменных стенок от их ориентации (кинетическая диаграмма Вульфа). Определены три широких глобальных максимума, соответствующих движению сверхбыстрых доменных стенок и определяющих эволюцию доменной структуры при слиянии доменов в вогнутых углах 60° и 120° в Y+ направлении; шесть локальных максимумов, соответствующих движению быстрых доменных стенок, и три локальных минимума, определяющих эволюцию доменной структуры в вогнутом угле 120° в Y- направлении; а также шесть глобальных минимумов, определяющих форму изолированных доменов. В кристаллах SLN измерено самое высокое значение скорости сверхбыстрой стенки среди кристаллов семейства ниобата лития, достигающее 7 м/c. В кристаллах SLN, MgOCLN и MgOSLN установлены закономерности взаимосвязи между движением сверхбыстрых доменных стенок и формой пиков в токе переключения (импульсов Баркгаузена). Показано, что импульсы Баркгаузена соответствуют движению короткоживущих сверхбыстрых доменных стенок, сформированных в процессе слияния доменов. Показано, что аппроксимация импульсов Баркгаузена, основанная на расчете движения быстрых и сверхбыстрых доменных стенок, позволяет измерять скорости этих стенок с точностью, превосходящей точность метода in situ визуализации (прямого наблюдения). В кристаллах SLN, MgOCLN и MgOSLN измерена зависимость скорости сверхбыстрых доменных стенок от величины внешнего поля. Показано, что скорости для всех типов стенок следуют активационной полевой зависимости с одинаковым значением внутреннего поля смещения для каждого из материалов. На основе сравнительного анализа измеренных диаграмм Вульфа и полевых зависимостей скоростей доменных стенок в кристаллах ниобата лития конгруэнтного состава, в SLN, MgOCLN и MgOSLN выявлены общие закономерности формирования и кинетики сверхбыстрых доменных стенок в монокристаллах семейства ниобата лития. (1) В кристаллах семейства ниобата лития образуется только три типа неэквивалентных с точки зрения симметрии углов: угол 60°, угол 120° ориентированный в Y+ направлении и угол 120° ориентированный в Y- направлении. (2) Во всех представителях семейства кристаллов ниобата лития при слиянии доменов образуются одни и те же типы быстрых и сверхбыстрых доменных стенок: дугообразная сверхбыстрая доменная стенка со средней ориентацией параллельной Х оси и движущаяся в Y+ направлении в углах 60 и 120Y+ и две эквивалентные с точки зрения симметрии быстрые доменные стенки, отклонённые от оси X на угол около 15°, и движущиеся приблизительно в Y- направлении в угле 120Y-. (3) Полевые зависимости скоростей доменных стенок в кристаллах семейства ниобата лития подчиняются активационному типу зависимости. При этом наиболее существенное влияние на скорости стенок оказывает именно легирование оксидом магния, а не приведение состава к стехиометрическому. Показано, что легирование приводит к увеличению разницы между скоростями быстрых и сверхбыстрых доменных стенок и уменьшению разницы между скоростями сверхбыстрых и медленных доменных стенок. Обнаруженная меньшая разница между скоростями сверхбыстрых и медленных доменных стенок в легированных кристаллах делает эти кристаллы более предпочтительными для периодического полинга, так как в случае нежелательного слияния соседних полосовых доменов уменьшается вероятность их полного слияния до окончания процесса полинга (с учётом того, что образовавшаяся в этом случае сверхбыстрая доменная стенка будет дополнительно замедлена за счёт движения в области без электрода). Проведено компьютерное моделирование эволюции доменной структуры в процессе слияния доменов. Моделирование проводилось методом фиксации уровня (level set) в двухмерном пространстве на основе измеренных кинетических диаграмм Вульфа. Показано, что изолированный круглый домен в процессе эволюции приобретает шестиугольную форму со стенками,параллельными Y оси и движущимися в Х кристаллографических направлениях (медленные доменные стенки). Показано, что при слиянии двух шестиугольных доменов образуются те же быстрые и сверхбыстрые доменные стенки, что и наблюдались экспериментально. Полученная в результате компьютерного моделирования эволюция доменной структуры качественно соответствовала экспериментально наблюдаемым сценариям.

 

Публикации

1. Ахматханов А.Р., Кипенко И.А., Есин А.А., Шур В.Я. Barkhausen pulses caused by domain merging in congruent lithium niobate Applied Physics Letters, 117 (год публикации - 2020).

2. Кипенко И.А., Ахматханов А.Р., Есин А.А., Шур В.Я. The input of Barkhausen pulses to the switching current in congruent lithium niobate Ferroelectrics, V. 574, pp. 156-163 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут стать основой для дальнейшего развития методов создания регулярных сегнетоэлектрических доменных структур, содержащих доменные стенки произвольной ориентации, таких как веерные доменные структуры для параметрической генерации лазерного излучения в ближнем ИК диапазоне с широкой перестройкой по длине волны и кольцеобразные доменные структуры для создания управляемых электрическим полем дифракционных оптических элементов для управления модовым составом когерентного излучения.