Формирование доменной структуры в монокристаллах ниобата лития электрооптическим методом

Сер. 4. 2010. Вып. 1

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 535

А. А. Маньшина, А. В. Поволоцкий, О. С. Грунский

ФОРМИРОВАНИЕ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ*

Введение. В последние десятилетия значительное внимание в экспериментальных и теоретических работах уделяется нелинейно-оптическим кристаллам с одномерными периодическими структурами, образованными регулярной системой сегнетоэлектриче-ских доменов. В таких кристаллах снимаются ограничения, накладываемые дисперсионными характеристиками. Причиной различия нелинейно-оптических, электрооп-тических, пьезоэлектрических и других свойств кристаллов с регулярной доменной структурой (РДС) и свойств монодоменных образцов является то, что нечётные тензоры для доменов с противонаправленной поляризацией имеют противоположные знаки. Нелинейные оптические преобразователи излучения на основе регулярных доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах позволяют генерировать суммарные и разностные частоты лазерного излучения в широком диапазоне с возможностью плавной перестройки. Большая востребованность таких излучателей обусловлена задачами телекоммуникаций, контроля окружающей среды, медицинских и военных приложений.

Типичным представителем кристаллов, в которых существует возможность создания РДС, оказался сегнетоэлектрический ниобат лития, появление которого в 1965 году вызвало огромный, сначала научный, а затем и практический интерес у исследователей и фирм в различных странах. В настоящее время разработано и используется несколько основных способов формирования РДС в ниобате лития. К ним относится создание РДС в процессе роста кристалла [1], постростовая электротермическая обработка [2], высоковольтная переполяризация [3], сканирование поверхности кристалла электронным пучком или зондом [4]. В последнее время особый интерес вызывает способ формирования РДС под воздействием лазерного излучения. При этом в зависимости от параметров лазерного излучения метод можно разделить на оптический (РДС формируется в результате воздействия лазерным излучением [5, 6]) и электрооптический (РДС формируется при одновременном воздействии лазерного излучения и внешнего электрического поля [7, 8]). Недостатками оптического метода являются малая глубина формируемой РДС и высокая вероятность разрушения поверхности кристалла вследствие лазерной абляции.

Электрооптический метод создания РДС в сегнетоэлектрических кристаллах, в том числе LiNbOз, в настоящее время считается одним из наиболее перспективных, позволяющим надеяться на создание высококачественных доменных структур с малым периодом. Принцип формирования регулярных доменных структур электрооптическим методом основан на явлении уменьшения величины коэрцитивного поля кристалла под воздействием лазерного излучения. Эффект изменения (уменьшения) величины коэрцитивного поля в кристаллах ниобата лития под воздействием лазерного излучения связывают с фотовозбуждением зарядов, локализованных на примесных либо решёточных

* Работа проводилась при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в ходе выполнения Государственного контракта № 02.513.11.3404.

© А. А. Маньшина, А. В. Поволоцкий, О. С. Грунский, 2010

ионах [9]. Под воздействием лазерного излучения в результате фотон-электронного взаимодействия происходит локальное увеличение количества носителей зарядов в решётке кристалла. Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле Е, то фото-возбуждённые заряды начинают дрейфовать в этом поле и рекомбинируют на других ионах. В результате миграции зарядов и их последующей рекомбинации происходит пространственное перераспределение зарядов. Новое пространственное распределение зарядов создаёт поле Е¿. Когда суммарное поле Е^ + Е достигает величины поля пере-поляризации Ес, начинается процесс образования затравочных центров доменов с инверсной поляризацией. Таким образом, при оптическом возбуждении происходит понижение коэрцитивного поля за счёт его частичной компенсации полем пространственных зарядов [9].

Возможность локального изменения коэрцитивного поля за счёт воздействия лазерным излучением позволяет уменьшать коэрцитивное поле кристалла только в пределах размеров фокального пятна лазерного излучения и, как следствие, формировать регулярные доменные структуры с параметрами, определяемыми условиями электро-оптического воздействия. Такой подход не требует использования пространственноструктурированного электрического поля, а значит и сложной, трудоёмкой процедуры создания системы электродов на поверхности образца. Необходимо только создать оптически прозрачные для лазерного излучения электроды, равномерно покрывающие +Z и —Z поверхности кристалла и обеспечивающие равномерное распределение внешнего электрического поля.

Простота реализации и эффективность электрооптического способа формирования РДС в кристаллах ниобата лития вызвала большое число исследований по определению оптимальных параметров реализации данного процесса для создания РДС с заданными параметрами. В данной работе особое внимание уделяется стадиям формирования РДС при электрооптическом воздействии, а также исследуется влияние параметров процесса на динамику роста локальных доменов.

Экспериментальная часть. Для проведения экспериментов по созданию прецизионной доменной структуры в монокристаллах ниобата лития были подготовлены образцы, представляющие собой монодоменные пластины монокристаллического ниобата лития конгруэнтного состава, легированного оксидом магния (5 мол. %). Кристаллы ниобата лития указанного состава были выращены методом Чохральского из расплава вдоль кристаллографического направления Z. Из предварительно монодоменизиро-ванных кристаллов изготавливались пластины размером 10 х 10 х 0,5 мм таким образом, чтобы оптическая ось кристалла была ориентирована нормально к плоскости пластины. Поверхности +Z и —Z монокристаллических пластин полировались до оптического качества для обеспечения эффективного ввода лазерного излучения в объём кристалла.

Блок-схема установки для создания прецизионной доменной структуры в монокристаллах ниобата лития электрооптическим методом представлена на рис. 1. В качестве источника лазерного излучения использовался твердотельный лазер с диодной накачкой (АТС-53-500) с длиной волны генерации 530 нм. Лазерное излучение фокусировалось на поверхность образца при помощи микрообъектива 4 х 0,1, диаметр фокусного пятна составлял 12 мкм, мощность лазерного излучения в точке фокуса - 40 мВт. При таких условиях плотность мощности лазерного излучения составляла 40 кВт/см2.

Значение внешнего электрического поля, прикладываемого к образцу кристалла, задавалось высоковольтным источником стабилизированного напряжения БПВ 4000/5 с точностью ±1 В и регулировалась в диапазоне 20-4000 В. При проведении

Рис. 1. Блок-схема установки для формирования прецизионной доменной структуры в монокристаллах ниобата лития электрооптическим методом:

1 — источник лазерного излучения; 2 — система зеркал; 3 — фазовая пластина Х/2;

4 — широкополосный поляризационный светоделительный куб; 5 — микрообъектив;

6 — образец; 7 — поляризатор; 8 — оптическая линза; 9 — лампа подсветки; 10 — 2D управляемая моторизованная подвижка ТЬоНаЪБ LNR50SEK1/M; 11 — управляемый высоковольтный источник стабилизированного напряжения БПВ 4000/5; 12 — оптический фильтр КС-17; 13 — поворотное зеркало; 14 — видеоокуляр DCM-130; 15 — персональный компьютер

экспериментов по электрооптической переполяризации доменов однородное электрическое поле прикладывалось к +2 и —2 поверхностям пластины ниобата лития, помещённой в кювету, оснащённую оптическими окнами из кварцевого стекла и жидкостными электродами (10 % водный раствор LiCl).

Для реализации процесса электрооптической переполяризации доменов образец ниобата лития в кювете с жидкостными электродами располагался таким образом, чтобы сфокусированное лазерное излучение падало на —2 поверхность кристалла. Управляемый высоковольтный источник стабилизированного напряжения при помощи жидкостных электродов создавал между —2 и +2 поверхностями разность потенциалов.

Изображения сформированных доменных структур были получены при помощи металлографического микроскопа ММН-2, оснащённого штатным видеоокуляром. Для оптической визуализации локальных доменных структур использовалась система из двух поляризаторов.

Результаты и их обсуждение. Стационарный режим электрооптического воздействия. Эксперименты по определению величины коэрцитивного поля образцов монодоменных кристаллических пластин (10 х 10 х 0,5 мм) ниобата лития конгруэнтного состава, легированного оксидом магния (5 мол. %), показали, что в отсутствие воздействия оптическим излучением коэрцитивное поле равно 6 кВ/мм. Превышение этого порога приводит к полной переполяризации кристаллической пластины.

На первом этапе проведения экспериментов по локальной переполяризации кристаллов ниобата лития был реализован стационарный режим электрооптического

Рис. 2. Микрофотографии дефектов на поверхности кристалла, образовавшихся в результате облучения излучением с длиной волны 530 нм, плотностью мощности 40 мВт/см2 и воздействия внешнего электрического поля напряжённостью 3,2 кВ/мм:

а - на —Z поверхность приложен положительный потенциал электрического поля; б - на —Z поверхность приложен отрицательный потенциал электрического поля

воздействия. В данном случае лазерное излучение фокусировалось на поверхность образца при одновременном воздействии внешним электрическим полем. Фокальное пятно лазерного излучения в стационарном режиме не перемещалось по поверхности образца кристаллической пластины. Таким образом, оптическому воздействию подвергалась только малая область объёма кристалла, ограниченная размером фокусного пятна. Доза облучения варьировалась за счёт изменения как мощности лазерного излучения, так и времени оптического воздействия.

Если направление электрического поля не соответствует направлению, необходимому для переполяризации кристалла, формирования локальных доменов не должно происходить. Для проверки данного тезиса был проведён ряд экспериментальных исследований, в которых на —Z поверхность приложен положительный потенциал, а на +Z поверхность отрицательный потенциал электрического поля. Время воздействия лазерным излучением составляло 10 секунд. Обнаружено, что в таком эксперименте на —Z поверхности кристалла образуется дефект диаметром около 12 мкм (рис.2а) в области воздействия лазерного излучения. Изменение значения напряжённости приложенного внешнего электрического поля от 3,2 до 3,6 кВ/мм при фиксированной плотности мощности лазерного излучения 40 мВт/см2 не приводит к изменению размера образовавшегося дефекта. При напряжённости внешнего электрического поля 3,0 кВ/мм и менее, при прочих равных условиях оптического воздействия, формирование поверхностных дефектов не происходит. Исследование влияния плотности мощности лазерного излучения на процесс образования поверхностного дефекта при электрооптиче-ском воздействии показало, что диаметр дефекта не зависит от плотности мощности лазерного излучения в диапазоне 20-110 мВт/см2 при напряжённости внешнего электрического поля 3,2 кВ/мм. Уменьшение плотности мощности лазерного воздействия ниже 20 мВт/см2 не приводит к образованию поверхностной дефектной структуры.

Следует отметить, что образование поверхностных дефектов происходит только при одновременном электрическом и оптическом внешнем воздействии на кристаллические пластины ниобата лития. При отсутствии оптического облучения в кристалле

Рис. 3. Зависимость диаметра локальных доменных структур от времени электрооптического воздействия

не происходит никаких видимых изменений вследствие малой величины приложенного электрического поля. Кроме того, воздействие на кристалл лазерным излучением без приложенного внешнего электрического поля также не приводит к изменениям в образце. Таким образом, поверхностный дефект не является результатом деструктивного воздействия лазерного излучения, а представляет собой результат совокупного элек-трооптического воздействия.

Кроме того, было обнаружено, что когда в отсутствие оптического воздействия к —2 поверхности прикладывается отрицательный потенциал, а к +2 поверхности положительный потенциал электрического поля, образовавшийся дефект становится центром роста домена с инверсной поляризацией. Этот факт позволяет сделать предположение, что в результате электрооптического воздействия с направлением внешнего электрического поля, соответствующим направлению собственной поляризации кристалла в облучаемой области, происходит формирование локальной полидоменной структуры, которая является более выгодной для кристалла с энергетической точки зрения. В дальнейшем такая полидоменная структура становится центром роста домена с инверсной поляризацией при отсутствии лазерного воздействия и обратном направлении внешнего электрического поля относительно собственной поляризации кристалла.

При направлении внешнего электрического поля, когда к —2 поверхности прикладывался отрицательный потенциал, а к +2 поверхности положительный потенциал, и одновременном оптическом воздействии было зафиксировано образование структуры, имеющей вид шестигранника, что соответствует симметрии кристалла вдоль направления 2 (рис. 2б) и свидетельствует в пользу формирования микродомена с инверсной поляризацией. Наблюдения показали, что из подобного дефекта, образовавшегося на поверхности пластины ниобата лития при длительном (> 1 мин) электрооптическом воздействии, происходит формирование изолированных доменов.

На следующем этапе было исследовано влияние времени электрооптического воздействия на размер формируемых доменных структур при фиксированных значениях плотности мощности лазерного излучения, равной 40 мВт/см2, и напряжённости электрического поля, равной 3,2 кВ/мм (рис. 3). Было обнаружено, что увеличение длительности электрооптического воздействия от 10 до 500 с приводит к увеличению домена до 60 мкм. При минимальном времени воздействия размер домена соответствует размеру фокального пятна.

Отметим, что развитие инверсного домена также может происходить и без оптического воздействия, в присутствии только лишь электрического поля. В этом случае

Рис. 4- Фотографии доменных структур, образовавшихся в результате электрооптического воздействия в динамическом режиме при различных плотностях мощности лазерного излучения

предварительно создаётся поверхностный дефект (микродомен) в результате электрооптического воздействия, а затем при приложении электрического потенциала происходит формирование домена в локальной области кристаллической пластины.

Увеличение размера домена во времени при наличии внешнего электрического поля связано с движением доменных стенок. Процесс движения доменных стенок во внешнем электрическом поле может иметь как положительное влияние: увеличение размера домена до необходимого; так и отрицательное: некоторые домены вследствие разной скорости движения доменных стенок могут достичь настолько больших размеров, что объединятся в один домен. Для достижения компромисса между этими эффектами необходимо с достаточной точностью подбирать дозу электрооптического воздействия.

Динамический режим электрооптического воздействия. В динамическом режиме образец кристаллической пластины перемещался относительно фокального пятна лазерного излучения. В этой серии экспериментов при фиксированном значении напряжённости внешнего электрического поля 3,2 кВ/мм и скорости перемещения образца

2,5 мкм/с относительно сфокусированного лазерного излучения исследовалось влияние мощности лазерного излучения на процесс переполяризации и ширину формируемых доменных структур. На рис. 4 представлены фотографии доменных структур, образовавшихся в результате электрооптического воздействия в динамическом режиме. Для приведённых структур плотность мощности лазерного излучения изменяется в пределах 20-250 мВт/см2 с шагом около 20 мВт/см2.

Как видно из рисунка, при низких мощностях лазерного излучения происходит образование отдельных доменов размером около 2-5 мкм. Увеличение плотности мощности лазерного излучения приводит к увеличению количества таких доменов вдоль области лазерного воздействия. Одновременно происходит увеличение ширины образовавшейся структуры, в том числе за счёт роста и объединения отдельных доменов. Дальнейшее увеличение плотности мощности лазерного излучения приводит к разрастанию индивидуальных доменов и формированию однородной доменной структуры, ширина которой также растёт с увеличением плотности мощности лазерного воздействия. Так, было обнаружено, что при увеличении плотности мощности лазерного воздействия до 250 мВт/см2 ширина доменной структуры увеличивается до 40 мкм. Очевидно, что увеличение дозы оптического воздействия приводит к увеличению количества затравочных центров и, как следствие, увеличению ширины доменных структур.

Исследование влияния напряжённости внешнего электрического поля на процесс формирования доменных структур электрооптическим методом в динамическом режиме при плотности мощности лазерного излучения 240 мВт/см2 и скорости сканирования

Рис. 5. Зависимость ширины образовавшихся доменных структур от напряжённости внешнего электрического поля

2520 < 15

10-

5

—I-----1-----1---1----1----1---1----1-----1—

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8

Е, кВ/мм

-о-

-О

3,0

—I—

3,2

0

Рис. 6. Фото, демонстрирующие формирование домена в области дефектной структуры во временной развёртке с шагом 1 минута

2,5 мкм/с показало, что заметного роста ширины доменной структуры при увеличении напряжённости электрического поля не наблюдается (рис. 5). При напряжённости электрического поля меньше 2 кВ/мм формирования доменных структур не происходит.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что мощность лазерного излучения является более важным параметром (по сравнению с напряжённостью электрического поля), определяющим размеры создаваемых доменных структур. Таким образом, ключевыми параметрами, позволяющими контролировать геометрию и размеры формируемых доменов, следует считать параметры лазерного излучения (в первую очередь фокальную область лазерного пучка и плотность мощности лазерного излучения).

Следует отметить, что из доменов, сформированных в динамическом режиме элек-трооптического воздействия, может происходить образование доменной структуры при продолжающемся воздействии внешним электрическим полем после завершения процесса лазерного сканирования. На рис. 6 представлены фотографии, демонстрирующие образование домена в области сформированной дефектной структуры во временной развёртке с шагом 1 мин. Как видно из рисунка, однородный домен при электро-оптическом воздействии в результате сканирования лазерного излучения плотностью мощности 80 мВт/см2 со скоростью 5 мкм/с и последующем длительном воздействии внешним электрическим полем (3,2 кВ/мм) формируется через 10 мин.

Рис. 7. Зависимость размера доменных структур от времени при приложенном внешнем электрическом поле, скорости сканирования 2,5 мкм/с и плотности мощности лазерного излучения

г, с

240 мВт/см'

2

Таким образом, проведённая серия экспериментов показала, что при формировании доменных структур электрооптическим методом как время оптического воздействия, так и время воздействия внешнего электрического поля существенно определяет динамику образования доменной структуры и процесс её дальнейшего роста. При этом стадии образования исходного домена из дефектной структуры, индуцированной элек-трооптическим воздействием, и дальнейшего роста домена за счёт внешнего электрического поля могут рассматриваться независимо, что свидетельствует о необходимости оптимизации времени воздействия электрооптического и электрического этапов. С точки зрения оценки оптимального времени воздействия для электрооптического этапа формирования доменных структур целесообразно в качестве критерия рассматривать однородность и непрерывность доменной структуры, сформированной в процессе сканирования. При оценке оптимального времени воздействия для последующего этапа воздействия внешним электрическим полем контролируемым параметром должна являться ширина доменных структур.

Исследование влияния времени воздействия внешнего электрического поля на ширину формируемых структур после электрооптического воздействия показало, что наиболее быстрый рост ширины доменных структур происходит в течение первых 20 секунд воздействия, при дальнейшем воздействии электрическим полем динамика роста размера домена замедляется (рис. 7).

Отметим, что размер доменных структур при длительном воздействии внешним электрическим полем в значительной степени зависит и от напряжённости приложенного поля. Меньшая напряжённость внешнего электрического поля при длительном воздействии позволяет создавать меньшие по размеру структуры. Однако при малом времени электрического воздействия (< 8 с) размер доменных структур практически не зависит от величины приложенного поля.

Заключение. Серия экспериментов по созданию доменных структур электрооп-тическим методом в стационарном режиме показала, что первым этапом процесса пе-реполяризации кристаллических пластин ниобата лития является образование в зоне оптического воздействия дефектного участка, представляющего собой полидоменную область. При этом направление внешнего электрического поля, приложенного к кристаллу, определяет характер развития дефектного участка. В случае, если на +2 поверхность приложен положительный потенциал, а на —2 поверхность отрицательный потенциал электрического поля, дефектная область преобразуется в изолированный домен, имеющий форму шестигранника, а в случае обратного направления внешнего

электрического поля изменения участка не наблюдается. Размер дефектной области определяется фокальным пятном лазерного пучка и не зависит ни от мощности лазерного излучения, ни от напряжённости приложенного электрического поля. Образование микродоменов на поверхности кристалла может происходить только при одновременном воздействии лазерного излучения и внешнего электрического поля. В отсутствие электрического поля либо лазерного излучения формирование поверхностных дефектов не наблюдается. Размер доменов может контролироваться за счёт изменения времени воздействия, а их минимальный размер определяется размером индуцированного дефекта.

Динамический режим формирования доменных структур электрооптическим методом позволяет создавать протяжённые структуры за счёт сканирования лазерным излучением по поверхности кристалла. При этом на первом этапе происходит формирование отдельных доменов, размер и число которых зависит в первую очередь от дозы лазерного излучения. Создание однородных доменов требуемой ширины возможно за счёт последующего воздействия внешнего электрического поля. Увеличение времени воздействия электрическим полем приводит к росту ширины доменных структур. При этом размер доменных структур в случае длительного воздействия внешним электрическим полем в значительной степени зависит и от значения приложенного поля.

Литература

1. Bermudez V., Callejo D., Vilaplana R. et al. // J. Cryst. Growth. 2002. Vol. 237-239. P. 677.

2. Kugel V. D., Rosenman G. // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 65. P. 2398.

3. Chao S., Davis W., Tuschel D. D. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 65. N 8. P. 1066.

4. Nutt A. C. G., Gopalan V., Gupta M. C. // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 60. N 23. P. 2828.

5. Sones C. L., Wengler M. C., Valdivia C. E. et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86. N 21. P. 1.

6. Valdivia C. E., Sones C. L., Scott J. G. et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86. N 2. P. 1.

7. Wengler M. C., Muller M., Soergel E., Buse K. // Appl. Phys. (B). 2003. Vol. 76. N 4. P. 393.

8. Wengler M. C., Fassbender B., Soergel E., Buse K. // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 96. N 5. P. 2816.

9. Голенищев-Кутузов А. В., Голенищев-Кутузов В. А., Калимуллин Р. И. // Усп. физ. наук. Т. 170. № 7. C. 697.

Статья поступила в редакцию 9 октября 2009 г.