Регистрация / Вход
Прислать материал

Кинетика доменной структуры в монокристаллах KTiOPO4

Сведения об участнике
ФИО
Васькина Екатерина Михайловна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Кинетика доменной структуры в монокристаллах KTiOPO4
Резюме
Представлено первое детальное исследование кинетики доменной структуры и особенностей переключения поляризации в монокристаллах сегнетоэлектрика KTiOPO4 (KTP). Выявлены качественные изменения формы доменов, измерены скорости движения доменных стенок с различной ориентацией (концентрацией ступеней), обнаружено скачкообразное движение доменных стенок при слиянии с изолированными доменами. Предложена модель для описания роста доменов за счет генерации и роста элементарных ступеней. Впервые обнаружен и исследован эффект индуцированного травлением переключения поляризации в КТР.
Ключевые слова
кинетика доменов, сегнетоэлектрики, титанил фосфата калия, КТР, эволюция доменной структуры, переключение поляризации
Цели и задачи
1.Детально исследовать кинетику доменной структуры в монокристаллах КТР с помощью in situ визуализации в широком диапазоне электрических полей и с высоким временным разрешением.
2. Визуализировать статическую доменную структуру, применяя методы визуализации с высоким пространственным разрешением.

Введение

 

Кристаллы КТР с периодической доменной структурой (ПДС) широко применяются в нелинейной оптике, в том числе для создания элементов генерации второй гармоники, однако особенности кинетики доменной структуры (КДС), необходимые для развития методов создания ПДС, изучены поверхностно.

Сегодня результаты in situ визуализации (КДС) представлены только в одной работе, в которой из-за сложности метода исследован очень узкий диапазон внешних прикладываемых полей с недостаточно высоким разрешением по времени.

Кристаллы KTP являются практически единственным нелинейно-оптическим сегнетоэлектрическим кристаллом, выращиваемым в России и на основе которого могут быть изготовлены кристаллы с ПДС для преобразования длины волны лазерного излучения. 

Методы и материалы

Исследовались образцы KTP (11х16х19 мм), вырезанные перпендикулярно z-оси

Для одновременной in situ визуализации эволюции доменной структуры (ДС) и измерения интегральных характеристик переключения использовалась установка состоящая из оптического микроскопа, на юстировочном столике которого располагалась ячейка с образцом, к которой подводились контакты для подачи напряжения. Сверху на микроскопе располагась видеокамера, позволяющая снимать эволюцию (ДС) непосредственно во время приложения внешнего поля. 

Типы ячеек: 1) для исследования особенностей кинетики ДС образец зажимался между двумя резиновыми кольцами, в образовавшуюся полость заливался электролит 2) для частичного переключения с металлическими электродами образец располагался во фторопластовой ванне с прижимными контактами, заполненной силиконовым маслом.

К образцу прикладывалось два типа импульсов: 1) прямоугольные (для определения времени релаксации и времени переключения поляризации) и 2) треугольные биполярные импульсы (для измерения величины коэрцитивного поля от скорости нарастания внешнего электрического поля).

Для выявления рельефа поверхности с последующей визуализацией статической доменной структуры в монокристаллах KTP проводилось травление полярных граней образцов в водном растворе KOH и KNO3 (в соотношении 2:1) при 80˚C в течении 5-15 минут.

Для визуализации статической доменной структуры с высоким разрешением использовалась сканирующая зондовая микроскопия.

 

 

Описание и обсуждение результатов

1. Показано, что эволюция ДС состоит из двух стадий: 1) формирование и рост вдоль оси Y ромбических доменов; 2) продолжение процесса переключения путем роста изолированных доменов на краю электрода и скачкообразного движения доменной стенки после слияния с соседними доменами. 

Выявлено две ориентации доменных стенок: (1) под углом примерно 30° к X оси и (2) под углом 5-10° к Y оси (стенки ромбических доменов).  

2. Предложена модель роста домена за счет генерации и роста элементарных ступеней основанная на аналогии между ростом сегнетоэлектрических доменов и процессом фазового перехода первого рода. В рамках данной модели зародыши образуются на поверхности кристалла, находящегося в монодоменном состоянии. Затем на образовавшихся зародышах генерируются элементарные ступени вдоль Х-направления. Сгенерированные ступеньки распространяются вдоль направления Y. Элементарная ячейка в кристаллах КТР вытянута вдоль оси X. Учитывая соотношение между параметрами а и b, отклонение доменных стенок с максимальной концентрацией ступеней (X+30) от оси X будет составлять 26,5˚. Экспериментально измеренные углы отклонения доменных стенок с малой концентрацией ступеней (Y+) от Y оси составляет менее 10˚.

3. Скорость движения доменной стенки зависит от концентрации ступеней. Концентрация ступеней X+30 стенок более чем в 5 раз превышает концентрацию ступеней типичных Y+ стенок. Таким образом, по скорости движения их можно разделить на быстрые (X+30) и медленные (Y+). Скорость быстрых доменных стенок составляет 0,5 мм/с в поле 3 кВ/мм и 1,5 мм/с в поле 3,7 кВ/мм. Скорость медленных доменных стенок составляет 0,05 мм/с в поле 3 кВ/мм и не меняется с ростом поля.

4. Обнаружен эффект стабильности доменной формы: в результате слияния двух соседних ромбических доменов образуется один домен ромбической формы большего размера.

5. Показано, что зависимость времени переключения от внешнего поля имеет активационный характер с полем активации (9,4 ± 0,4) кВ/мм.

6.   Показано, что зависимость коэрцитивного поля от скорости нарастания внешнего электрического подчиняется степенному закону. Определено коэрцитивное поле в квазистатическом приближении равное Ec =2,5 ± 0,1 кВ/мм.

7. Показано, что статическую ДС можно наблюдать и без селективного химического травления  с помощью оптической микроскопии.

8. После переключения поляризации с металлическими электродами проводилось селективное химическое травление образца с последующей визуализацией статической ДС с помощью сканирующей пъезоэлектрической микроскопии. Сравнение изображений одного и того же места позволило выявить существенную разницу между рельефом поверхности и ДС, т. е. имело место частичное обратное переключение.

Полученные результаты представляют собой первое детальное исследование кинетики доменной структуры в кристаллах с симметрией С2v и важны для развития методов доменной инженерии в кристаллах семейства КТР.

 

Используемые источники
1. P.I. Tordjman, E. Masse, and J.C. Guitel // Zeitschrift für Krist. – 1974. – V. 139. – P. 103
2. F.C. Zumsteg // J. Appl. Phys. – 1976. – V. 47. – P. 4980
3. C. Canalias and V. Pasiskevicius // Nat. Photonics – 2007. – V.1. – P. 459
4. C. Canalias, V. Pasiskevicius, M. Fokine, and F. Laurell // Appl. Phys. Lett. – 2005. – V. 86. – P. 181105
5. C. Canalias, V. Pasiskevicius, F. Laurell, S. Grilli, P. Ferraro, and P. De Natale // J. Appl. Phys. – 2007. – V. 102. – P. 064105
6. Ю.В. Кулешов, В. А. Краковский, Л. Я. Серебренников, А. А. Тик // Доклады ТУСУРа – 2011. – Т. 2. – С. 112
7. F. Laurell, M. G. Roelofs, W. Bindloss, H. Hsiung, A. Suna, and J. D. Bierlein // J. Appl. Phys. – 1992. – V. 71. – P. 4664
8. I. S. Baturin, M. V. Konev, A. R. Akhmatkhanov, A. I. Lobov, V. Ya. Shur // Ferroelectrics – 2008. – V. 374. – P. 136-143


Information about the project
Surname Name
Ekaterina Vaskina
Project title
Kinetics of domain structure in KTiOPO4 crystals
Summary of the project
In this work we present the first detailed study of the domain kinetics in ferroelectric single crystals of potassium titanyl phosphate (KTP). In situ optical observation of the domain structure evolution allowed: (1) to reveal the qualitative change of the domain shape, (2) to measure the motion velocity of the walls with different orientations, (3) to disclose the jump-like (jerky) motion of the domain walls as a result of merging with isolated domains. The obtained results were explained in terms of the model based on the domain wall motion as a result of generation and growth of the elementary steps. The effect of polarization reversal induced by selective chemical etching has been revealed and studied in KTP for the first time.
Keywords
domain kinetics, ferroelectrics, Potassium titanyl phosphate, KTP, domains