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 21-72-10160

НазваниеИсследование особенностей роста доменов в монокристаллах одноосных сегнетоэлектриков с микро- и нано-доменной структурой

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 07.2021 - 06.2024 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 словаЭволюция доменной структуры, исходная доменная структура, ниобат лития, танталат лития, ниобат бария стронция, германат свинца, триглицинсульфат, регулярные доменные структуры.

Код ГРНТИ29.19.35


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы физики неравновесных состояний связанной с движением фазовых границ в существенно гетерогенной системе. В качестве модельного процесса будет исследоваться рост сегнетоэлектрических доменов (монодоменных областей) в одноосных сегнетоэлектриках из исходного полидоменного состояния, включающего микро- и нанодоменные структуры. Известно, что рост сегнетоэлектрических доменов в процессе переключения поляризации может рассматриваться как аналог фазового перехода первого рода, где растущий домен играет роль новой фазы. Научная значимость планируемых исследований определяется тем, что будет исследована эволюция сложной «широкой» границы, разделяющей однофазную и гетерофазную области, в модельной системе, параметры которой будут контролируемо изменяться в широких пределах, с визуализацией образовавшихся структур как на поверхности так и в объёме с высоким пространственным разрешением. Для решения поставленной проблемы будет проведено исследование особенностей движения «широкой» доменной стенки и роста доменов на полярных и неполярных срезах монокристаллов одноосных сегнетоэлектриков с микро- и нанодоменной структурой. Будут решаться следующие конкретные задачи. 1. Разработка методов создания приповерхностных квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития и танталата лития. 2. Исследование особенностей формирования и роста доменов в монокристаллах ниобата и танталата лития с искусственно созданной микро- и нанодоменной структурой а) в результате облучения сфокусированным электронным пучком и при переключении в однородном поле в образце с регулярной доменной структурой б) в результате облучения сфокусированным электронным пучком и при переключении в однородном поле в образце с приповерхностной квазирегулярной доменной структурой 3. Исследование особенностей роста доменов в монокристаллах релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария-стронция с исходной нанодоменной структурой а) исследование закономерностей формирования и эволюции широкой доменной границы при локальном переключении поляризации б) исследование роста доменов на полярной поверхности при локальном переключении поляризации в) исследование роста доменов в объёме при локальном переключении поляризации г) исследование возможностей создания доменов с произвольной ориентацией доменных стенок при переключении поляризации сфокусированным электронным пучком и системой электродов 4. Исследование особенностей роста доменов при локальном переключении поляризации на полярном и неполярном срезах кристаллов с объёмной лабиринтовой микродоменной структурой а) в монокристаллах триглицинсульфата б) в монокристаллах германата свинца 5. Моделирование роста доменов в кристалле одноосного сегнетоэлектрика с исходной микро- и нанодоменной структурой а) с лабиринтовой структурой б) с изолированными доменами 6. Разработка научных основ метода изготовления на основе монокристаллов ниобата бария-стронция а) управляемых электрическим полем дифракционных оптических элементов б) управляемого электрическим полем фотонного кристалла 7. Разработка рекомендаций по улучшению методов создания регулярных доменных структур за счёт формирования приповерхностной квазирегулярной микро- и нанодоменной структуры. В существующей на данный момент парадигме управления сегнетоэлектрической доменной структурой как для фундаментальных исследований так и для практических применений, принципиальным считается использование в качестве исходного состояния монодоменного образца. В данной работе предлагается принципиально другой подход к проблеме, основанный на использовании полидоменного состояния в качестве исходного. При этом рост домена в этом случае будет по-сути представлять собой рост монодоменной области в полидоменной матрице. Планируемые исследования эволюции доменной структуры при переключении поляризации в одноосных сегнетоэлектриках с микро- и нанодоменной структурой и разработка методов подавления слияния соседних растущих доменов и создания доменов с произвольной ориентацией доменных стенок представляют значительный интерес для развития доменной инженерии и инженерии доменных стенок. Планируемые исследования позволят улучшить качество и уменьшить период создаваемых регулярных доменных структур для создания нового поколения высокоэффективных нелинейно-оптических элементов преобразования частоты лазерного излучения, создать на основе кристаллов ниобата бария-стронция дифракционные оптические элементы для устройств компактной «плоской» оптики и фотонные кристаллы с управляемым положением запрещённой зоны.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие основные результаты: 1. Методы создания приповерхностных квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития и танталата лития. 2. Закономерности формирования и роста доменов в монокристаллах ниобата и танталата лития с искусственно созданной микро- и нано-доменной структурой в результате облучения сфокусированным электронным пучком и при переключении в однородном поле в образцах с регулярной доменной структурой и с приповерхностной квазирегулярной доменной структурой 3. Закономерности роста доменов в монокристаллах релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария-стронция с исходной нанодоменной структурой. Особенности формирования и эволюции широкой доменной границы при локальном переключении поляризации. Выводы о возможности создания доменов с произвольной ориентацией доменных стенок при переключении поляризации сфокусированным электронным пучком и системой электродов. 4. Закономерности роста доменов при локальном переключении поляризации на полярном и неполярном срезах монокристаллов триглицинсульфата и германата свинца с объемной лабиринтовой микро-доменной структурой 5. Результаты компьютерного моделирования роста доменов в кристалле одноосного сегнетоэлектрика с исходной микро- и нанодоменной структурой для случая лабиринтовой доменной структуры и структуры изолированных доменов. 6. Научные основы метода изготовления на основе монокристаллов ниобата бария-стронция управляемых электрическим полем дифракционного оптического элемента и фотонного кристалла 7. Рекомендаций по улучшению методов создания регулярных доменных структур за счёт формирования приповерхностной квазирегулярной микро- и нанодоменной структуры. Планируемые исследования эволюции доменной структуры при переключении поляризации в одноосных сегнетоэлектриках с микро- и нанодоменной структурой и разработка методов подавления слияния соседних растущих доменов и создания доменов с произвольной ориентацией доменных стенок представляют значительный интерес для развития доменной инженерии и инженерии доменных стенок. Подавление слияния соседних растущих доменов позволит улучшить качество и уменьшить период создаваемых регулярных доменных структур для создания нового поколения высокоэффективных нелинейно-оптических элементов преобразования частоты лазерного излучения, в том числе реализующих новые типы нелинейно-оптических преобразований таких как оптическая параметрическая генерация обратной волны. Изготовление доменов с произвольной ориентацией доменных стенок имеет сразу три потенциальных применения. Во-первых, в кристаллах ниобата и танталата лития это позволит улучшить методы создания регулярных веерных доменных структур с малыми периодами для нелинейно-оптических элементов преобразования частоты лазерного излучения с широкой перестройкой. Во-вторых, в кристаллах ниобата лития и ниобата бария-стронция это позволит создать управляемые дифракционные оптические элементы для устройств компактной «плоской» оптики. В-третьих, в кристаллах ниобата бария-стронция возможность формирования доменной структуры в полидоменной матрице с размером доменов менее 100 нм позволит реализовать элементы с локальным источником электрического поля (за счёт пироэффекта) для применений в микрофлюидике и для создания фотонных кристаллов с управляемым положением запрещённой зоны.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект был направлен на решение фундаментальной проблемы физики неравновесных состояний, связанной с движением фазовых границ в существенно гетерогенной системе. В качестве модельного процесса исследовался рост сегнетоэлектрических доменов (монодоменных областей) в одноосных сегнетоэлектриках из исходного полидоменного состояния, включающего микро- и нанодоменные структуры. В ходе выполнения проекта были получены следующие основные результаты. Разработаны два метода создания приповерхностных квазирегулярных микро- и нанодоменных структур в монокристаллах ниобата лития и танталата лития: (1) путем переключения образца в однородном поле с искусственным поверхностным диэлектрическим слоем и (2) путем растрового сканирования электронным пучком прямоугольной области образца, покрытой слоем фоторезиста. Показано, что первый способ позволяет получить квазирегулярную доменную структуру с плотностью доменов до 0,5 мкм-2 и с размерами от 200 нм до 1 мкм. Второй способ при оптимальных параметрах облучения (ускоряющее напряжение 10 кВ) позволяет получать квазирегулярные доменные структуры с контролируемой плотностью доменов от 0,5 до 1,5 мкм-2 при среднем размере доменов около 400 нм. Исследованы особенности формирования и роста доменов в монокристаллах ниобата лития и танталата лития в результате облучения сфокусированным пучком заряженных частиц в образце с приповерхностной квазирегулярной доменной структурой. В монокристаллах танталата лития с составом близким к конгруэнтному (NCLT) показано, что точечное обучение приводит к формированию доменов круглой формы с неровными стенками с множеством доменов обратной полярности внутри, формирующими квазирегулярную самоорганизованную доменную структуру в виде цепей микродоменов. Выявлено два механизма роста доменов. (1) В области малых доз облучения рост домена ограничен внешним экранированием деполяризующего поля инжектированными электронным пучком зарядами («ограниченный током рост»). В этом случае размер домена линейно растет с дозой облучения. (2) В области больших доз размер домена определяется размером области, в которой локальное поле превышает пороговое («ограниченный полем рост»). В этом случае размер домена растет сублинейно. Показано, что увеличение дозы приводит к линейному увеличению плотности обратнопереключенных доменов внутри круглого домена, при этом средний размер доменов практически не зависит от ускоряющего напряжения и дозы и составляет (180±60) нм. Показано, что приповерхностная квазирегулярная доменная структура способствует стабилизации создаваемых доменов. Исследованы особенности формирования и роста доменов в монокристаллах ниобата лития и танталата лития при переключении поляризации в однородном поле в образце с модельной регулярной двумерной доменной структурой, которая представляла собой систему изолированных доменов, расположенных в узлах квадратной и шестиугольной решеток. В случае использования квадратной решетки в CLN обнаружено формирование изолированных доменов, вытянутых вдоль Y кристаллографического направления, совпадающего с одним из направлений решетки модельной 2D структуры. Полученный результат имеет важное значение для развития методов создания регулярных полосовых доменных структур в сегнетоэлектриках, так как позволяет ограничить разрастание полосовых доменов в ширину. Показано, что неправильная форма и большая концентрация изолированных доменов при обратном переключении оптимальны для создания доменных структур с произвольной ориентацией доменных стенок для создания управляемых электрическим полем дифракционных оптических элементов. Продемонстрирована возможность создания полосового домена шириной около 10 мкм, ориентированного под углом к основным кристаллографическим направлениям кристалла. Установлено, что в случае использования шестиугольной решетки, эволюция доменной структуры в CLN аналогична монодоменному образцу. При переключении поляризации в кристаллах конгруэнтного танталата лития с модельной 2D доменной структурой выявлено два этапа процесса переключения: (1) рост изолированных доменов исходной 2D матрицы и (2) процесс их непрерывного слияния. Показано, что домены, формирующиеся на второй стадии, имеют неправильную формы для квадратной решетки и правильную треугольную форму для шестиугольной решетки. Эффект объяснен особенностями слияния соседних доменов на квадратной решетке. Исследовано формирование широкой доменной границы при точечном облучении ионным пучком легированных никелем монокристаллов ниобата бария-стронция (SBN61:Ni) с исходной субмикронной доменной структурой. Показано, что точечное облучение приводит к образованию изолированных доменов круглой формы, окруженных широкой доменной границей, представляющей собой частично переключаемую область. Показано, что радиус и глубина домена и ширина и глубина широкой доменной границы увеличиваются пропорционально корню квадратному из дозы облучения. Переключенный заряд был пропорционален дозе облучения, что свидетельствует о доминирующей роли инжектированных ионов в экранировании деполяризующего поля. При 2D облучении массива точек искажение формы домена наблюдалось при расстоянии между доменными стенками менее 0,5 мкм. Визуализация 2D массива доменов в объеме позволила выявить уменьшение площади сплошного домена с глубиной и увеличение площади области, занимаемой широкой доменной границей. Полученная аномальная эволюция доменной структуры объяснялась равновероятными позициями генерации новых ступеней на доменной стенке за счет слияния с нанодоменами. Увеличение ширины широкой доменной границы с глубиной согласуется с расчетами пространственного распределения полярной компоненты поля. Полученные результаты демонстрируют возможность использования кристаллов SBN61:Ni с исходной нанодоменной структурой для создания трехмерных доменных структур заданной геометрии для нелинейно-оптических и электрооптических применений. Исследованы особенности роста доменов при локальном переключении поляризации на полярном срезе кристаллов триглицинсульфата (ТГС) с объёмной лабиринтовой микродоменной структурой. Показано, что локальное переключение поляризации проводящим зондом СЗМ приводит к формированию переключенных областей, вытянутых вдоль c-кристаллографического направления. Показано, что при переключении поляризации в условиях сухой атмосферы с ростом переключающего напряжения размеры домена увеличиваются линейно. Увеличение длительности переключающего импульса приводит к существенному увеличению ширины домена, тогда как длина меняется незначительно. В результате такого анизотропного роста соотношение сторон увеличивается и может достигать 10. Подобная анизотропия роста вдоль a и c направлений объяснена в рамках кинетического подхода за счет реализации различных механизмов зародышеобразования: при движении доменной стенки вдоль направления c реализуется стохастический механизм зародышеобразования, а при движении вдоль направления a — детерминированный механизм зародышеобразования. Обнаружено, что с ростом влажности соотношение сторон домена стремится к единице. Изменение формы доменов может было отнесено за счет необходимости экранирования нескомпенсированного деполяризующего поля, возникающего при переключении поляризации. В сухой атмосфере единственным механизмом экранирования является объемная проводимость кристалла, которая в кристаллах ТГС существенно анизотропна. В условиях повышенной влажности на поверхности образца образуется адсорбированный слой воды, который обладает изотропной проводимостью. С увеличением влажности толщина и проводимость адсорбированного слоя возрастает, что приводит к уменьшению соотношения сторон домена до значений, близких к единице.

 

Публикации

1. Шихова В.А., Слаутина А.С., Чезганов Д.С., Небогатиков М.С., Ахматханов А.Р., Турыгин А.П., Ивлева Л.И., Шур В.Я. Formation of broad domain boundary during dot ion beam irradiation in SBN:Ni single crystals Ferroelectrics, - (год публикации - 2022).