Анизотропия деформации плаcтин монокристаллов ниобата лития Y + 128°–среза с бидоменной структурой

Бидоменные монокристаллы ниобата лития (LiNbO₃) и танталата лития (LiTaO₃) являются перспективным материалом для создания на их основе актюаторов, механоэлектрических преобразователей и сенсоров, способных работать в широком диапазоне температур. При изготовлении таких устройств необходимо учитывать анизотропию свойств используемого материала. Исследованы деформации бидоменных пластин ниобата лития Y + 128°-среза круглой формы под действием внешнего электрического поля. Рассчитаны угловые зависимости пьезоэлектрических модулей кристаллов ниобата и танталата лития и построены их графики для срезов, используемых при изготовлении пластин с бидоменной сегнетоэлектрической структурой. Стационарным внешним нагревом и длительным отжигом с аутдиффузией лития сформированы бидоменные структурыв круглых пластинах ниобата лития. Методом оптической микроскопии получены зависимости перемещения краев бидоменных кристаллов от угла поворота вокруг нормалей пластин при центральном точечном закреплении и приложении внешнего электрического поля. Проведено моделирование формы деформированной пластины в предположении квадратичной зависимости перемещения краев от радиального расстояния до точки закрепления. Сделан вывод о седлообразном характере деформации бидоменной пластины Y + 128°-среза при приложении постоянной разности потенциалов.

1. Volk, T. R. Lithium niobate: defects, photorefraction and ferroelectric switching. In: Springer Series in Materials Science. V. 115 / R. Volk, M. Wöhlecke. - Berlin ; Heidelberg: Springer, 2009. - 260 p. DOI: 10.1007/978-3-540-70766-0

2. Arizmendi, L. Photonic applications of lithium niobate crystals / L. Arizmendi // Phys. Status Solidi (a). - 2004. - V. 201, N 2. - P. 253—283. DOI: 10.1002/pssa.200303911

3. Wooten, E. L. A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems / E. L. Wooten, K. M. Kissa, A. Yi-Yan, E. J. Murphy, D. A. Lafaw, P. F. Hallemeier, D. Maack, D. V. Attanasio, D. J. Fritz, G. J. McBrien, D. E. Bossi // IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics. - 2000. - V. 6, N 1. - P. 69—82. DOI: 10.1109/2944.826874

4. Gualtieri, J. G. Piezoelectric materials for acoustic wave applications / J. G. Gualtieri, J. A. Kosinski, A. Ballato // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. - 1994. - V. 41, N 1. - P. 53—59. DOI: 10.1109/58.265820

5. Scott, J. F. Ferroelectric memories In: Springer Series in Advanced Microelectronics. V. 3 / J. F. Scott. - Berlin ; Heidelberg: Springer, 2000. - 248 p. DOI: 10.1007/978-3-662-04307-3

6. Cross, L. E. Ferroelectric materials for electromechanical transducer applications / L. E. Cross // Materials Chemistry and Physics. - 1996. - V. 43, N 2. - P. 108—115. DOI: 10.1016/02540584(95)01617-4

7. Lu, Y. L. Formation mechanism for ferroelectric domain structures in a LiNbO3 optical superlattice / Y. L. Lu, Y. Q. Lu, X. F. Cheng, G. P. Luo, C. C. Xue, N. B. Ming // Appl. Phys. Lett. - 1996. - V. 68, N 19. - P. 2642—2644. DOI: 10.1063/1.116267

8. Antipov, V. V. Formation of bidomain structure in lithium niobate single crystals by electrothermal method / V. V. Antipov, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko // Ferroelectrics. - 2008. - V. 374, N 1. - P. 65—72. DOI: 10.1080/00150190802427127

9. Grilli, S. Investigation on reversed domain structures in lithium niobate crystals patterned by interference lithography / S. Grilli, P. Ferraro, S. de Nicola, A. Finizio, G. Pierattini, P. de Natale, M. Chiarini // Optics Express. - 2003. - V. 11, N 4. - P. 392—405. DOI: 10.1364/OE.11.000392

10. Dierolf, V. Direct-write method for domain inversion patterns in LiNbO3 / V. Dierolf, C. Sandmann // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 84, N 20. - P. 3987—3989. DOI: 10.1063/1.1753057

11. Zhang, X. Domain switching and surface fabrication of lithium niobate single crystals / X. Zhang, X. Dongfeng, K. Kenji // J. Alloys and Compounds. - 2008. - V. 499, N 1–2. - P. 219—223. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.02.091

12. Nutt, A. C. Domain inversion in LiNbO3 using direct electron — beam writing / A. C. Nutt, V. Gopalan, M. C. Gupta // Appl. Phys. Lett. - 1992. - V. 60, N 23. - P. 2828—2830. DOI: 10.1063/1.106837

13. Miyazawa, S. Ferroelectric domain inversion in Ti-diffused LiNbO3 optical waveguide / S. Miyazawa // J. Appl. Phys. - 1979. - V. 50, N 7. - P. 4599—4603. DOI: 10.1063/1.326568

14. Rosenman, G. Diffusion-induced domain inversion in ferroelectrics / G. Rosenman, V. D. Kugel, D. Shur // Ferroelectrics. - 1995. - V. 172, N 1. - P. 7—18. DOI: 10.1080/00150199508018452

15. Chen, J. Influence of growth striations on para-ferroelectric phase transitions: Mechanism of the formation of periodic laminar domains in LiNbO3 and LiTaO3 / J. Chen, Q. Zhou, J. F. Hong, - V. 66, N 1. - P. 336—341. DOI: 10.1063/1.343879

16. Malinkovich, M. D. Formation of a bidomain structure in lithium niobate wafers for beta-voltaic alternators / M. D. Malinkovich, A. S. Bykov, I. V. Kubasov, D. A. Kiselev, S. V. Ksenich, R. N. Zhukov, A. A. Temirov, N. G. Timushkin, Yu. N. Parkhomenko // Russian Microelectronics. - 2016. - V. 45, N 8. - P. 582—586. DOI: 10.1134/S1063739716080096

17. Kugel, V. D. Domain inversion in heat-treated LiNbO3 crystals / V. D. Kugel, G. Rosenman // Appl. Phys. Lett. - 1993. - V. 62, N 23. - P. 2902—2904. DOI: 10.1063/1.109191

18. Kubasov, I. V. Bidomain structures formed in lithium niobate and lithium tantalate single crystals by light annealing / I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, R. N. Zhukov, D. A. Kiselev, S. V. Ksenich, A. A. Temirov, N. G. Timushkin, Yu. N. Parkhomenko // Crystallography Reports. - 2016. - V. 61, N 2. - P. 258—262. DOI: 10.7868/S0023476116020120

19. Bykov, A. S. Formation of bidomain structure in lithium niobate plates by the stationary external heating method / A. S. Bykov, S. G. Grigoryan, R. N. Zhukov, D. A. Kiselev, S. V. Ksenich, I. V. Kubasov, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko // Russian Microelectronics. - 2014. - V. 43, N 8. - P. 536—542. DOI: 10.1134/S1063739714080034

20. Kubasov, I. Bimorph single crystalline piezoelectric actuators for scanning probe microscopy / I. Kubasov, M. Malinkovich, A. Bykov, D. Kiselev, A. Temirov, S. Ksenich // 24th Internat. Conf. on Materials and Technology. - Portorož (Slovenia), 2016. - P. 124.

21. Blagov, A. E. An electromechanical X-ray optical element based on a hysteresis-free monolithic bimorph crystal / A. E. Blagov, A. S. Bykov, I. V. Kubasov, M. D. Malinkovich, Yu. V. Pisarevskii, A. V. Targonskii, I. A. Eliovich, M. V. Kovalchuk // Instruments and Experimental Techniques. - 2016. - V. 59, N 5. - P. 728—732. DOI: 10.1134/S0020441216050043

22. Kubasov, I. A novel high-temperature vibration sensor based on bidomain lithium niobate crystal / I. Kubasov, A. Kislyuk, M. Malinkovich, D. Kiselev, M. Chichkov, S. Ksenich, A. Temirov, A. Bykov, Yu. Parkhomenko // 7th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress and Exhibition. - Oludeniz (Turkey), 2017. - P. 147.

23. Vidal, J. Equivalent magnetic noise in magnetoelectric laminates comprising bidomain LiNbO3 crystals / J. Vidal, A. V. Turutin, I. V. Kubasov, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko, S. P. Kobeleva, A. L. Kholkin, N. A. Sobolev // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. - 2017. - V. PP, N 99. P. 1-1. DOI: 10.1109/TUFFC.2017.2694342

24. Kubasov, I. V. Interdomain region in single-crystal lithium niobate bimorph actuators produced by light annealing / I. V. Kubasov, M. S. Timshina, D. A. Kiselev, M. D. Malinkovich, A. S. Bykov, Yu. N. Parkhomenko // Crystallography Reports. - 2015. - V. 60, N 5. - P. 700—705. DOI: 10.1134/S1063774515040136

25. Nakamura, K. Bending vibrator consisting of a LiNbO3 plate with a ferroelectric inversion layer / K. Nakamura, H. Ando, H. Shimizu // Jpn. J. Appl. Phys. - 1987. - V. 26, N S2. - P. 198—200. DOI: 10.7567/JJAPS.26S2.198

26. Nakamura, K. Hysteresis-free piezoelectric actuators using LiNbO3 plates with a ferroelectric inversion layer / K. Nakamura, H. Shimizu // Ferroelectrics. - 1989. - V. 93, N 1. - P. 211—216. DOI: 10.1080/00150198908017348

27. Crawley, E. F. Induced strain actuation of isotropic and anisotropic plates / E. F. Crawley, K. B. Lazarus // AIAA Journal. - 1991. - V. 29, N 6. - P. 944—951. DOI: 10.2514/3.10684

28. Bent, A. A. Anisotropic actuation with piezoelectric fiber composites / A. A. Bent, N. W. Hagood, J. P. Rodgers // J. Intell. Mater. Syst. and Struct. - 1995. - V. 6, N 3. - P. 338—349. DOI: 10.1177/1045389X9500600305

29. Huang, G. L. The dynamic behaviour of a piezoelectric actuator bonded to an anisotropic elastic medium / G. L. Huang, C. T. Sun // Internat. J. Solids and Struct. - 2006. - V. 43, N 5. - P. 1291—1307. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.03.010

30. Warner, A. W. Determination of elastic and piezoelectric constants for crystals in class (3m) / A. W. Warner, M. Onoe, G. A. Coquin // The Journal of the Acoustical Society of America. - 1967. - V. 42, N 6. - P. 1223—1231. DOI: 10.1121/1.1910709

31. Shur, V. Y. Hysteresis-free high-temperature precise bimorph actuators produced by direct bonding of lithium niobate wafers / V. Y. Shur, I. S. Baturin, E. A. Mingaliev, D. V. Zorikhin, A. R. Udalov, E. D. Greshnyakov // Appl. Phys. Lett. - 2015. - V. 106, N 5. - P. 053116. DOI: 10.1063/1.4907679

32. Smits, J. G. The constituent equations of piezoelectric bimorphs / J. G. Smits, S. I. Dalke, T. K. Cooney // Sensors and Actuators A: Physical. - 1991. - V. 28, N 1. - P. 41—61. DOI: 10.1016/09244247(91)80007-C

33. Nassau, K. The domain structure and etching of ferroelectric lithium niobate / K. Nassau, H. J. Levinstein, G. M. Loiacono // Appl. Phys. Lett. - 1965. - V. 6, N 11. - P. 228—229. DOI: 10.1063/1.1754147