Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Формирование стабильных индуцированных доменов в области заряженной междоменной границы в ниобате лития с помощью зондовой микроскопии

https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-1-5-17

Полный текст:

Аннотация

Сегнетоэлектрические кристаллы ниобата лития (LiNbO3) c искусственно сформированной доменной структурой находят широкое применение в оптических системах генерации кратных гармоник лазерного излучения, акустооптике, прецизионных актюаторах, датчиках вибрации и магнитного поля, в том числе предназначенных для применения при повышенных температурах, в перспективе — в запоминающих устройствах ЭВМ. Исследовано влияние заряженной междоменной границы на формирование индуцированных доменных структур в конгруэнтных кристаллах ниобата лития (LiNbO3) неполярного x-среза. Методами диффузионного отжига на воздухе вблизи температуры Кюри и инфракрасного отжига в бескислородной среде в образцах были сформированы би- и полидоменные сегнетоэлектрические структуры, содержащие заряженные доменные границы типа «голова-к-голове» и «хвост-к-хвосту». В режиме Кельвин-моды атомно-силового микроскопа (АСМ) исследован поверхностный потенциал в окрестности заряженной междоменной границы. Исследованы приповерхностные клиновидные индуцированные микродомены, сформированные в области заряженной междоменной границы и вдали от нее путем приложения электрического потенциала на кантилевер АСМ, находящийся в контакте с поверхностью кристалла. Продемонстрирована зависимость морфологии индуцированной доменной структуры от электропроводности кристаллов. Показано экранирующее действие заряженной междоменной границы типа «голова-к-голове» на форму и размер домена, индуцированного в непосредственной близости к доменной стенке. Описано разбиение одиночных клиновидных доменов, образующихся при локальной переполяризации кристаллов восстановленного ниобата лития с помощью кантилевера АСМ, на семейства микродоменов, имеющих форму сонаправленных лучей, выходящих из общего центра зарождения. Обнаружено влияние заряженной междоменной границы на топографию образцов, заключающееся в возникновении при восстановительном отжиге протяженного углубления, совпадающего с линией заряженной границы.

Об авторах

А. М. Кислюк
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Кислюк Александр Михайлович — инженер 1-й категории



Т. С. Ильина
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Ильина Татьяна Сергеевна — инженер



И. В. Кубасов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Кубасов Илья Викторович — ассистент



Д. А. Киселев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Киселев Дмитрий Александрович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник



А. А. Темиров
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Темиров Александр Анатольевич — ассистент



А. В. Турутин
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Турутин Андрей Владимирович — инженер 1-й категории



М. Д. Малинкович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Малинкович Михаил Давыдович — канд. физ.-мат. наук, доцент



А. А. Полисан
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Полисан Андрей Андреевич — профессор каф. МПиД



Ю. Н. Пархоменко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; АО «Гиредмет»

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия;

АО «Гиредмет», Электродная ул., д. 2 стр. 1, Москва, 111524, Россия

Пархоменко Юрий Николаевич — доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой МПиД

 



Список литературы

1. Lengyel K., Péter Á., Kovács L., Corradi G., Pálfalvi L., Hebling J., Unferdorben M., Dravecz G., Hajdara I., Szaller Zs., Polgár K. Growth, defect structure, and THz application of stoichiometric lithium niobate // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2, N 4. P. 040601. DOI: 10.1063/1.4929917

2. Bazzan M., Fontana M. Preface to special topic: Lithium niobate properties and applications: reviews of emerging trends // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2, N 4. P. 040501. DOI: 10.1063/1.4928590

3. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2, N 4. P. 040603. DOI: 10.1063/1.4931601

4. Boes A., Corcoran B., Chang L., Bowers J., Mitchell A. Status and potential of lithium niobate on insulator (LNOI) for photonic integrated circuits // Laser & Photonics Rev. 2018. V. 12, N 4. P. 1700256. DOI: 10.1002/lpor.201700256

5. Turutin A. V, Vidal J. V, Kubasov I. V, Kislyuk A. M., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N., Kobeleva S. P., Kholkin A. L., Sobolev N. A. Low-frequency magnetic sensing by magnetoelectric metglas/bidomain LiNbO3 long bars // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51, N 21. P. 214001. DOI: 10.1088/1361-6463/aabda4

6. Kubasov I. V., Kislyuk A. M., Malinkovich M. D., Temirov A. A., Ksenich S. V., Kiselev D. A., Bykov A. S., Parkhomenko Y. N. A Novel vibration sensor based on bidomain lithium niobate crystal // Acta Phys. Polonica A. 2018. V. 134, N 1. P. 106—108. DOI: 10.12693/APhysPolA.134.106

7. Zhukov R. N., Ksenich S. V., Kubasov I. V., Timushkin N. G., Temirov A. A., Kiselev D. A., Bykov A. S., Malinkovich M. D., Vygovskaya E. A., Toporova O. V. Studying local conductivity in LiNbO3 films via electrostatic force microscopy // Bull. Russian Academy of Sciences: Physics. 2014. V. 78, N 11. P. 1223—1226. DOI: 10.3103/S106287381411029X

8. Kubasov I. V., Kislyuk A., Turutin A., Bykov A., Kiselev D., Temirov A., Zhukov R., Sobolev N., Malinkovich M., Parkhomenko Y. Low-frequency vibration sensor with a sub-nm sensitivity using a bidomain lithium niobate crystal // Sensors. 2019. V. 19, N 3. P. 614. DOI: 10.3390/s19030614

9. Parkhomenko Y. N., Sobolev N. A., Kislyuk A. M., Kholkin A. L., Malinkovich M. D., Turutin A. V., Kobeleva S. P., Vidal J. V., Pakhomov O. V., Kubasov I. V. Magnetoelectric metglas/bidomain y + 140°-cut lithium niobate composite for sensing fT magnetic fields // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 112, N 26. P. 262906. DOI: 10.1063/1.5038014

10. Vidal J. V., Turutin A. V., Kubasov I. V., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N., Kobeleva S. P., Kholkin A. L., Sobolev N. A. Equivalent magnetic noise in magnetoelectric laminates comprising bidomain LiNbO3 crystals // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2017. V. 64, N 7. P. 1102—1119. DOI: 10.1109/TUFFC.2017.2694342

11. Kubasov I. V., Kislyuk A. M., Malinkovich M. D., Te­mi­rov A. A., Ksenich S. V., Kiselev D. A., Bykov A. S., Parkhomenko Y. N. Vibrational power harvester based on lithium niobate bidomain plate // Acta Phys. Polonica A. 2018. V. 134, N 1. P. 90—92. DOI: 10.12693/APhysPolA.134.90

12. Chen F., Kong L., Song W., Jiang C., Tian S., Yu F., Qin L., Wang C., Zhao X. The electromechanical features of LiNbO3 crystal for potential high temperature piezoelectric applications // J. Materiomics. 2019. V. 5, N 1. P. 73—80. DOI: 10.1016/j.jmat.2018.10.001

13. Esin A. A., Akhmatkhanov A. R., Shur V. Y. Tilt control of the charged domain walls in lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114, N 9. P. 092901. DOI: 10.1063/1.5079478

14. Neradovskaia E. A., Neradovskiy M. M., Esin A. A., Chuvakova M. A., Baldil P., De Micheli M. P., Akhmatkhanov A. R., Forget N., Shur V. Y. Domain kinetics during polarization reversal in 36° Y-cut congruent lithium niobate // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 443. P. 012024. DOI: 10.1088/1757-899X/443/1/012024

15. Campbell M. P., McConville J. P. V., McQuaid R. G. P., Prabhakaran D., Kumar A., Gregg J. M. Hall effect in charged conducting ferroelectric domain walls // Nature Communications. 2016. V. 7, N 1. P. 13764. DOI: 10.1038/ncomms13764

16. Kuroda A., Kurimura S., Uesu Y. Domain inversion in ferroelectric MgO : LiNbO3 by applying electric fields // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69, N 11. P. 1565—1567. DOI: 10.1063/1.117031

17. Wolba B., Seidel J., Cazorla C., Godau C., Haußmann A., Eng L. M. Resistor network modeling of conductive domain walls in lithium niobate // Advanced Electronic Materials. 2018. V. 4, N 1. P. 1700242. DOI: 10.1002/aelm.201700242

18. Gureev M. Y., Tagantsev A. K., Setter N. Head-to-head and tail-to-tail 180° domain walls in an isolated ferroelectric // Phys. Rev. B. 2011. V. 83, N 18. P. 184104. DOI: 10.1103/PhysRevB.83.184104

19. Strukov B. A., Levanyuk A. P. Ferroelectric phenomena in crystals. Berlin; Heidelberg: Springer, 1998. DOI: 10.1007/978-3-642-60293-1

20. Tasson M., Legal H., Peuzin J. C., Lissalde F. C. Mécanismes d′orientation de la polarisation spontanée dans le niobate de lithium au voisinage du point de Curie // Phys. Status Solidi (a). 1975. V. 31, N 2. P. 729—737. DOI: 10.1002/pssa.2210310246

21. Tasson M., Legal H., Gay J. C., Peuzin J. C., Lissalde F. C. Piezoelectric study of poling mechanism in lithium niobate crystals at temperature close to the curie point // Ferroelectrics. 1976. V. 13, N 1. P. 479—481. DOI: 10.1080/00150197608236646

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

23. Kubasov I. V., Kislyuk A. . M., Bykov A. S., Malinkovich M. D., Zhukov R. N., Kiselev D. A., Ksenich S. V., Temirov A. A., Timushkin N. G., Parkhomenko Y. N. Bidomain structures formed in lithium niobate and lithium tantalate single crystals by light annealing // Crystallography Reports. 2016. V. 61, N 2. P. 258—262. DOI: 10.1134/S1063774516020115

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

25. Ohnishi N. An etching study on a heat-induced layer at the positive-domain surface of LiNbO3 // Jpn. J. Appl. Phys. 1977. V. 16, N 6. P. 1069—1070. DOI: 10.1143/JJAP.16.1069

26. Nakamura K., Ando H., Shimizu H. Partial domain inversion in LiNbO3 plates and its applications to piezoelectric devices // IEEE 1986 Ultrasonics Symposium. 1986. P. 719—722. DOI: 10.1109/ULTSYM.1986.198828

27. Nakamura K., Ando H., Shimizu H. Ferroelectric domain inversion caused in LiNbO3 plates by heat treatment // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 50, N 20. P. 1413—1414. DOI: 10.1063/1.97838

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

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

30. Nakamura K., Nakamura T., Yamada K. Torsional actuators using LiNbO3 plates with an inversion layer // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. V. 32, Pt 1. N 5B. P. 2415—2417. DOI: 10.1143/JJAP.32.2415

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

32. Ievlev A. V., Alikin D. O., Morozovska A. N., Varenyk O. V., Eliseev E. A., Kholkin A. L., Shur V. Y., Kalinin S. V. Symmetry breaking and electrical frustration during tip-induced polarization switching in the nonpolar cut of lithium niobate single crystals // ACS Nano. 2015. V. 9, N 1. P. 769—777. DOI: 10.1021/nn506268g

33. Alikin D. O., Ievlev A. V., Turygin A. P., Lobov A. I., Kalinin S. V., Shur V. Y. Tip-induced domain growth on the non-polar cuts of lithium niobate single-crystals // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106, N 18. P. 182902. DOI: 10.1063/1.4919872

34. Morozovska A. N., Ievlev A. V., Obukhovskii V. V., Fomichov Y., Varenyk O. V., Shur V. Y., Kalinin S. V., Eliseev E. A. Self-consistent theory of nanodomain formation on nonpolar surfaces of ferroelectrics // Phys. Rev. B. 2016. V. 93, N 16. P. 165439. DOI: 10.1103/PhysRevB.93.165439

35. Starkov A. S., Starkov I. A. Dependence of the ferroelectric domain shape on the electric field of the microscope tip // J. Appl. Phys. 2015. V. 118, N 7. P. 072010. DOI: 10.1063/1.4927800

36. Morozovska A. N., Eliseev E. A., Kalinin S. V. Domain nucleation and hysteresis loop shape in piezoresponse force spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89, N 19. P. 192901. DOI: 10.1063/1.2378526

37. Turygin A., Alikin D., Alikin Y., Shur V. The formation of self-organized domain structures at non-polar cuts of lithium niobate as a result of local switching by an SPM tip // Materials. 2017. V. 10, N 10. P. 1143. DOI: 10.3390/ma10101143

38. Strelcov E., Ievlev A. V., Jesse S., Kravchenko I. I., Shur V. Y., Kalinin S. V. Direct probing of charge injection and polarization-controlled ionic mobility on ferroelectric LiNbO3 surfaces // Advanced Materials. 2014. V. 26, N 6. P. 958—963. DOI: 10.1002/adma.201304002

39. Bordui P. F., Jundt D. H., Standifer E. M., Norwood R. G., Sawin R. L., Galipeau J. D. Chemically reduced lithium niobate single crystals: Processing, properties and improved surface acoustic wave device fabrication and performance // J. Appl. Phys. 1999. V. 85, N 7. P. 3766—3769. DOI: 10.1063/1.369775

40. Dhar A., Singh N., Singh R. R. K., Singh R. R. K. Low temperature dc electrical conduction in reduced lithium niobate single crystals // J. Phys. Chem. Solids. 2013. V. 74, N 1. P. 146—151. DOI: 10.1016/j.jpcs.2012.08.011

41. Pawlik A.-S., Kämpfe T., Haußmann A., Woike T., Treske U., Knupfer M., Büchner B., Soergel E., Streubel R., Koitzsch A., Eng L. M. Polarization driven conductance variations at charged ferroelectric domain walls // Nanoscale. 2017. V. 9, N 30. P. 10933—10939. DOI: 10.1039/C7NR00217C

42. Ievlev A. V., Morozovska A. N., Shur V. Y., Kalinin S. V. Ferroelectric switching by the grounded scanning probe microscopy tip // Phys. Rev. B. 2015. V. 91, N 21. P. 214109. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.214109

43. Turygin A. P., Alikin D. O., Kosobokov M. S., Ievlev A. V., Shur V. Y. Self-organized formation of quasi-regular ferroelectric nanodomain structure on the nonpolar cuts by grounded SPM tip // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. V. 10, N 42. P. 36211—36217. DOI: 10.1021/acsami.8b10220

44. Jösch W., Munser R., Ruppel W., Würfel P. The photovoltaic effect and the charge transport in LiNbO3 // Ferroelectrics. 1978. V. 21, N 1. P. 623—625. DOI: 10.1080/00150197808237347

45. Werner C. S., Herr S. J., Buse K., Sturman B., Soergel E., Razzaghi C., Breunig I. Large and accessible conductivity of charged domain walls in lithium niobate // Scientific Reports. 2017. V. 7, N 1. P. 9862. DOI: 10.1038/s41598-017-09703-2

46. Volk T., Wöhlecke M. Lithium Niobate. Berlin; Heidelberg: Springer, 2008. DOI: 10.1007/978-3-540-70766-0

47. Chien C. L., Westgate C. R. (Eds.) The Hall effect and its applications. Boston (MA) Springe, 1980. DOI: 10.1007/978-1-4757-1367-1

48. Dhar A., Mansingh A. On the correlation between optical and electrical properties in reduced lithium niobate crystals // J. Phys. D: Appl. Phys. 1991. V. 24, N 9. P. 1644—1648. DOI: 10.1088/0022-3727/24/9/019

49. Imlau M., Badorreck H., Merschjann C. Optical nonlinearities of small polarons in lithium niobate // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2, N 4. P. 040606. DOI: 10.1063/1.4931396

50. Yatsenko A. V., Yevdokimov S. V., Pritulenko A. S., Sugak D. Y., Solskii I. M. Electrical properties of LiNbO3 crystals reduced in a hydrogen atmosphere // Phys. Solid State. 2012. V. 54, N 11. P. 2231—2235. DOI: 10.1134/S1063783412110339

51. Saito A., Matsumoto H., Ohnisi S., Akai-Kasaya M., Kuwahara Y., Aono M. Structure of atomically smoothed LiNbO3 (0001) surface // Jpn. J. Appl. Phys. 2004. V. 43, N 4B. P. 2057—2060. DOI: 10.1143/JJAP.43.2057

52. Sanna S., Schmidt W. G. LiNbO3 surfaces from a microscopic perspective // J. Physics: Condensed Matter. 2017. V. 29, N 41. P. 413001. DOI: 10.1088/1361-648X/aa818d


Для цитирования:


Кислюк А.М., Ильина Т.С., Кубасов И.В., Киселев Д.А., Темиров А.А., Турутин А.В., Малинкович М.Д., Полисан А.А., Пархоменко Ю.Н. Формирование стабильных индуцированных доменов в области заряженной междоменной границы в ниобате лития с помощью зондовой микроскопии. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019;22(1):5-17. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-1-5-17

For citation:


Kislyuk A.M., Ilina T.S., Kubasov I.V., Kiselev D.A., Temirov A.A., Turutin A.A., Malinkovich M.D., Polisan A.A., Parkhomenko Yu.N. Formation of stable induced domains at charged domain boundary in lithium niobate using scanning probe microscopy. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019;22(1):5-17. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-1-5-17

Просмотров: 208


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)