СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА
METHOD OF FORMING DOMAIN STRUCTURE IN SINGLE-CRYSTAL WAFER OF NONLINEAR OPTICAL FERROELECTRIC MATERIAL

Изобретение относится к нелинейной оптике и оптоэлектронике, в частности к области нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения, и может быть использовано в оптических системах записи и считывания информации, в волоконно-оптической связи и в лазерных проекционных системах.
Формирование доменной структуры в нелинейно-оптическом сегнетоэлектрике является одним из способов создания элементов для преобразования частоты лазерного излучения, например для создания эффективных недорогих источников лазерного излучения в сине-зеленой части оптического спектра [W.P.Risk, T.R.Gosnell, A.V.Nurmicco. Compact blue-green Lasers. - Cambridge: Cambridge University Press, 2003. - 540 с.].
3
4
Известен способ формирования доменной структуры в кристалле калий-титанил-фосфата для нелинейного преобразования частоты лазерного излучения (патент РФ №2044337 C1, МПК7 C30B 33/02, C30B 33/04, C30B 33/00, H01L 41/00, C30B 29/30) путем создания доменной структуры, состоящей из сегнетоэлектрических доменов противоположной ориентации с периодом, определяемым разностью волновых векторов излучения основной и преобразованной частоты. На поверхность кристалла наносят пленку из материала, имеющего коэффициент теплового расширения и значение электропроводности, отличные от тех же параметров кристалла, а доменную структуру формируют либо с помощью нагрева до 850°C и охлаждения до комнатной температуры, либо только путем охлаждения кристалла калий-титанил-фосфата ниже комнатной температуры. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения между диэлектриком и кристаллом в подложке возникают растягивающие и сжимающие механические напряжения, приводящие вследствие пьезоэлектрического эффекта к возникновению знакопеременного электрического поля, имеющего компоненту, направленную противоположно вектору спонтанной поляризации кристалла. Создаваемые по данному способу доменные структуры являются приповерхностными, что не позволяет использовать их для создания источников лазерного излучения высокой мощности из-за оптического повреждения, вызванного высокой плотностью лазерного излучения. Кроме того, данный способ использует тот факт, что высокая проводимость калий-титанил-фосфата (в 10-10 раз больше, чем у ниобата лития) препятствует образованию доменов в области, не покрытой пленкой. Это не позволяет использовать данный способ в материалах с низкой проводимостью, например в ниобате лития или танталате лития.
Известен способ формирования доменных структур в ниобате лития прямой записью сфокусированным электронным пучком (H.Ito, C.Takyu, H.Inaba. Fabrication of periodic domain grating in LiNbOs by electron beam writing for application of nonlinear optical processes. Electronics Letters, 1991, V.27, P.1221-1222). В данном способе на одну из полярных поверхностей (+z) пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика ниобата лития наносят сплошную металлическую маску, например, из Cr. На вторую полярную поверхность воздействуют сфокусированным электронным пучком. При этом в месте воздействия пучка образуется домен с противоположным направлением поляризации. Задавая путь перемещения сфокусированного электронного пучка по поверхности, можно создавать доменную структуру определенной конфигурации. Недостатками способа являются:
1) невозможность поляризовать кристаллы толщиной более 0,2-0,5 мм,
2
2) невозможность получать доменные структуры площадью более 1 см и
3) сравнительно большое время, необходимое для создания доменных структур.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к настоящему способу является способ формирования доменной структуры в нелинейно-оптической пластине сегнетоэлектрика с помощью электрического поля (Патент США 5193023, G02F 1/03; G11C 11/22, опубликованный 09.03.1993) (прототип). Способ включает следующие этапы. Сначала на противоположных полярных поверхностях пластины формируют электроды, хотя бы один из которых представляет собой полосовой электрод и выполняется по определенному рисунку (конфигурации). Затем к электродам прикладывают напряжение, приводящее к формированию доменной структуры в соответствии с конфигурацией полосового электрода. Варианты способа предусматривают приложение постоянного напряжения или импульса напряжения между электродами. Защищен также вариант нанесения одного из электродов по определенному рисунку на дополнительный слой диэлектрического материала, наносимого на соответствующую поверхность пластины.
Согласно этому способу приложение электрического напряжения между электродами приводит к изменению направления спонтанной поляризации сегнетоэлектрика и формированию доменов в областях, соответствующих рисунку электрода. Известная технология фотолитографии позволяет создавать произвольный рисунок электрода с высокой точностью и воспроизводимостью.
Дополнительное нанесение диэлектрической пленки перед нанесением электрода позволяет избежать повреждения кристалла при прохождении тока в процессе приложения электрического напряжения.
Защищен также вариант, предусматривающий дополнительный нагрев образца до температуры в диапазоне от 150 до 1200°C для уменьшения величины коэрцитивного поля.
Недостатком прототипа является уширение образующихся доменов за пределы отдельных полос полосового электрода, что не позволяет создавать домены с геометрическими параметрами (формой и размерами), точно соответствующими рисунку электрода, а также ограничивает минимальный период доменной структуры (2 мкм). Кроме того, в ниобате лития, легированном MgO, за счет пространственной неоднородности легирования формирование доменов под полосовым электродом происходит не одновременно, что приводит к разрастанию доменов, образовавшихся ранее других, за пределы отдельных полос электрода, в то время как домены, образовавшиеся позднее, еще не достигают краев отдельных полос электрода, что ухудшает однородность формируемой доменной структуры.
Таким образом, задачей изобретения является создание способа одновременного формирования прецизионной доменной структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика, с геометрическими параметрами, соответствующими рисунку полосового электрода и воспроизводимыми с нанометрической точностью.
Предлагаемый нами способ формирования доменной структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика включает воздействие на нее высокого напряжения, приложенного между металлическими электродами, расположенными на противоположных полярных гранях пластины, причем один из них выполняют в виде полос определенной конфигурации (полосовой электрод), для формирования доменной структуры соответствующей конфигурации. Вдоль полос полосового электрода пропускают, по меньшей мере, одиночный импульс электрического тока, обеспечивающий неоднородный нагрев поверхностного слоя пластины, последующее охлаждение после окончания импульса электрического тока приводит к образованию под полосами полосового электрода приповерхностных доменов, а высокое напряжение прикладывают между электродами одновременно или после воздействия импульса электрического тока, в результате чего формируется доменная структура, точно соответствующая рисунку полосового электрода.
Импульсы электрического тока можно пропускать вдоль полос полосового электрода многократно.
В качестве материала полосового электрода можно использовать, например, W, Ta, NiCr или Cr.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать ниобат лития или ниобат лития, легированный MgO, а также танталат лития или танталат лития, легированный MgO.
Параметры электродов и импульса электрического тока подбирают такими, чтобы не происходило разрушения полосового электрода.
Сущность изобретения поясняется следующим образом. Монокристаллический нелинейно-оптический сегнетоэлектрик, например ниобат лития или танталат лития, является материалом, имеющим в некотором диапазоне температур спонтанную поляризацию, направление которой можно изменять с помощью приложения электрического поля. Спонтанная поляризация в таких материалах может быть ориентирована только в определенных направлениях вдоль одной или более полярных осей. В частности, ниобат лития и танталат лития являются одноосными кристаллами, таким образом, имеют только два возможных направления поляризации. Переключение поляризации в таких материалах происходит за счет формирования и роста доменов - областей с противоположным направлением поляризации. Переключение поляризации в таких материалах может происходить также под действием пироэлектрических полей, возникающих при охлаждении кристалла.
Для формирования доменов на противоположные полярные грани пластины монокристаллического нелинейно-оптического сегнетоэлектрика, вырезанной перпендикулярно полярной оси, наносят металлические электроды, причем один из них выполняют в виде структуры, состоящей из полос определенной конфигурации (полосовой электрод). Пропускание импульса электрического тока вдоль полос полосового электрода, нанесенного на одну из полярных поверхностей монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика, приводит к резистивному (джоулеву) нагреву полос. Выделяющееся тепло приводит к неоднородному разогреву поверхностного слоя пластины.
Неоднородный нагрев поверхностного слоя пластины, например, может быть обеспечен подбором таких значений длительности импульса и силы тока, при которых за время действия импульса не происходит существенного выравнивания температуры вдоль поверхности пластины за счет температуропроводности. Таким образом, достигается более сильный нагрев поверхностного слоя пластины в области под полосовым электродом по сравнению с областями, не покрытыми электродом, что является важной особенностью данного способа. После окончания импульса электрического тока температура пластины в поверхностном слое под полосовым электродом уменьшается, что приводит к появлению пироэлектрического поля, переключающего направление спонтанной поляризации и формирующего приповерхностные домены.
Проведенный нами расчет пространственного распределения пироэлектрического поля, возникающего при охлаждении после неоднородного нагрева поверхности пластины с полосовыми электродами в результате воздействия импульса электрического тока, показал наличие следующих особенностей:
- под краями полос полосового электрода возникает максимальное значение пироэлектрического поля, способствующего формированию приповерхностных доменов;
- направление пироэлектрического поля между полосами полосового электрода препятствует переключению поляризации, что приводит к подавлению роста приповерхностных доменов за пределы электродов.
Формирование приповерхностных доменов в результате пропускания импульса электрического тока вдоль полос полосового электрода существенно улучшает пространственную однородность процесса формирования доменной структуры и позволяет создавать доменную структуру, точно соответствующую рисунку полосового электрода.
Приложение электрического поля
На Фиг.1 представлена схема реализации пропускания импульса электрического тока вдоль полос полосового электрода: 1 - пластина нелинейно-оптического сегнетоэлектрика с полосовым электродом 2, нанесенным на одну из поверхностей, и сплошным электродом 3, нанесенным на другую поверхность. Вдоль полосового электрода 2 пропускают импульс электрического тока 4. Формирование сквозной доменной структуры происходит после приложения высокого напряжения 5 между электродами 2 и 3, нанесенными на поверхности пластины 1.
Пропускать импульсы электрического тока вдоль полосового электрода, нанесенного на поверхность монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика, при необходимости можно многократно. Например, для увеличения плотности доменов под полосовым электродом.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать, например, ниобат лития или ниобат лития, легированный MgO. Ниобат лития является одним из материалов, наиболее широко используемых в нелинейной оптике за счет большого значения нелинейно-оптического коэффициента. Важно то, что имеется промышленное производство пластин ниобата лития оптического качества диаметром до 100 мм. Легирование ниобата лития MgO существенно увеличивает порог оптического повреждения, что позволяет применять его для создания мощных лазеров.
В качестве нелинейно-оптического сегнетоэлектрика можно использовать, например, танталат лития или танталат лития, легированный MgO. Танталат лития также широко применяется в нелинейной оптике за счет большого значения нелинейно-оптического коэффициента. Имеется промышленное производство пластин танталата лития оптического качества диаметром до 76 мм. Легирование танталата лития MgO существенно увеличивает порог оптического повреждения, что позволяет, например, применять его для создания мощных лазеров, излучающих в сине-зеленой и ближней ультрафиолетовой частях спектра.
Для реализации способа выбирают такие параметры электрода и импульса электрического тока (сила электрического тока и длительность импульса), которые не приводят к разрушению материала полосового электрода. Разрушение материала полосового электрода не позволит разогреть поверхность пластины и обеспечить одновременное или последующее приложение высокого напряжения.
Изобретение поясняется примером реализации предлагаемого способа.
+
В качестве монокристаллической пластины нелинейно-оптического сегнетоэлектрика берут плоскопараллельную монокристаллическую пластину ниобата лития, легированного 5% MgO, толщиной 1 мм и диаметром 76 мм, вырезанную перпендикулярно полярной оси и отполированную с обеих сторон. На Zповерхности пластины известным методом фотолитографии формируют полосовой электрод толщиной 100 нм, состоящий из полос шириной 1.5 мкм, расположенных с периодом 6.95 мкм. При этом размеры области, на которую наносится полосовой электрод, составляют, например, 5×10 мм. Полосы электрода ориентируют вдоль Y кристаллографического направления пластины. В качестве материала электродов используют Cr, который наносят непосредственно на поверхность с помощью электронно-лучевого испарения в вакууме.
Вдоль полосового электрода, нанесенного на поверхность пластины, пропускают одиночный импульс электрического тока с силой тока в 1 А и длительностью 4 мс. В результате пропускания тока под полосами полосового электрода формируются домены. На Фиг.2 видны полосовые домены, образовавшиеся под полосами полосового электрода.
К электродам прикладывают программируемую серию однополярных прямоугольных импульсов высокого напряжения амплитудой 1.5 кВ и длительностью 15 мс. Коэрцитивное напряжение для пластины данного материала толщиной 1 мм составляет 5 кВ (Н.Ishizuki, I.Shoji, T.Taira, Periodical poling characteristics of congruent MgOiLiNbOs crystals at elevated temperature. // Applied Physics Letters. - 2003. - V.82, №23. - P.4062-4064). В результате приложения электрического напряжения разрастаются и прорастают вглубь пластины приповерхностные домены, образовавшиеся после воздействия импульса электрического тока, что приводит к формированию структуры, состоящей из периодически расположенных сквозных полосовых доменов, в соответствии с рисунком полосового электрода. На Фиг.3 показан пример изображения доменной структуры на поперечном сечении пластины, полученной в результате воздействия импульса электрического тока и последующего приложения электрического поля.
Доменная структура наблюдалась с помощью известных методик оптической микроскопии после удаления электродов химическим травлением и известного метода селективного химического травления пластины концентрированной плавиковой кислотой (HF) в течение 5 минут.
Танталат лития является материалом, изоморфным ниобату лития, в связи с чем формирование доменной структуры в соответствии с описанным способом происходит аналогично.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет формировать сквозные доменные структуры в монокристаллической пластине нелинейно-оптического сегнетоэлектрика в точном соответствии с рисунком полосового электрода, например периодические полосовые структуры для нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения, что может быть использовано в оптических системах записи и считывания информации, в волоконно-оптической связи и в лазерных проекционных системах.