На правах рукописи

Ильин Никита Александрович

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МУЛЬТИФЕРРОИДНЫХ

ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР И ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тверь – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА).

Научный руководитель доктор физико-математических наук, доцент Мишина Елена Дмитриевна.

Официальные оппоненты: Горелик Владимир Семенович, доктор физико-математических наук, профессор, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, заведующий лабораторией комбинационного рассеяния света;

Заботнов Станислав Васильевич, кандидат физико-математических наук, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, научный сотрудник кафедры общей физики и молекулярной электроники.

Ведущая организация Южный федеральный университет.

Защита состоится 25 мая 2012 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 212.263.09 при Тверском государственном университете по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый пер., 35, ауд. 226.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государственного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ляхова Марина Борисовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

В большинстве сегнетоэлектрических устройств используется переключение поляризации в направлении, перпендикулярном плоскости пленки, что позволяет при малых толщинах пленок управлять поляризацией весьма малыми напряжениями (единицами вольт). В то же время для оптических и многих СВЧ приложений более удобной является планарная геометрия, поскольку она обеспечивает более эффективное взаимодействие электромагнитной волны и сегнетоэлектрической поляризации, обеспечивая при этом широкие возможности для интегрирования элементов.

В настоящее время при разработке на основе сегнетоэлектрических пленок функциональных устройств микроэлектроники, таких как электронноперестраиваемые СВЧ компоненты в интегральном исполнении (фазовращатели, фильтры, резонаторы, фазированные антенные решетки), микрополосковые модуляторы для оптических систем связи, микроэлектромеханические системы (акселерометры, микропомпы, датчики давления, резонаторы), планарная топология электродов становится основой конструктивной базы таких устройств.

Поэтому изучение особенностей проявления сегнетоэлектрического состояния при такой топологии электродов становится актуальной задачей. Сложность определения свойств материала пленки связана, прежде всего, с неоднородностью распределения электрического поля в междуэлектродном пространстве конденсатора, а также с малой (до фемтофарад) емкостью планарного конденсатора. Совершенно новым направлением является использование планарных сегнетоэлектрических структур в фотонике – для создания активных волноводов, переключателей, электрооптических модуляторов, в том числе, фотоннокристаллических.

Для электрооптических модуляторов и фазовращателей необходимы сегнетоэлектрические пленки с высокой диэлектрической проницаемостью, малым временем переключения и малыми потерями, причем необходимо, чтобы пленки были однородны по указанным параметрам. Этому условию в наибольшей степени удовлетворяют эпитаксиальные пленки титаната бария-стронция высокого структурного совершенства. На их основе могут быть созданы также переключаемые фотонные кристаллы (ФК), а также мультиферроидные перовскитные слоистые структуры, свойства которых требуют исследований.

Объемные сегнетоэлектрики, являясь нецентросимметричыми средами, широко используются для создания генераторов четных оптических гармоник в режиме фазового синхронизма. В наноразмерных пленках достижение фазового синхронизма невозможно, однако генерация второй гармоники (ВГ) является эффективным инструментом исследования сегнетоэлектрических свойств.

Впервые связь поля второй гармоники с сегнетоэлектрической поляризацией была описана в работе [1]. Практически важные соотношения, связывающие сегнетоэлектрическую поляризацию с полем ВГ были введены в работах [2] и [3]. В последней, наряду с переключаемой поляризацией был учтен вклад непереключаемой поляризации. И хотя модельные зависимости интенсивности второй гармоники от приложенного поля хорошо описывают экспериментальные зависимости, методы получения параметров сегнетоэлектрической поляризации на основе этих зависимостей ранее не разрабатывались.

Нелинейно-оптическая сканирующая микроскопия, основанная на генерации второй гармоники, является эффективной методикой локального исследования функциональных материалов. Она позволяет исследовать доменную структуру сегнетоэлектриков и мультиферроиков, а также эффекты переключения поляризации и особенности фазовых переходов в сегнетоэлектрических и мультиферроидных микроструктурах. Основное отличие микроскопии ВГ от линейной микроскопии заключается в возможности визуализации 180о-х сегнетоэлектрических доменов, что невозможно в линейной оптике. Это связано с тем, что замена знака поляризации меняет знак некоторых компонент нелинейной восприимчивости, в то время как для линейной восприимчивости этого не происходит.

Цель работы – изучение методом генерации второй оптической гармоники и микроскопии ВГ особенностей процесса переключения диэлектрической поляризации в тонких наноразмерных сегнетоэлектрических (титанат бария стронция, BST) и мультиферроидных (феррит висмута, допированный неодимом -NBFO) пленках, планарных структурах и фотонных кристаллах на их основе.

В соответствии с поставленной целью в работе определены основные задачи исследования:

1. Разработка нелинейно-оптической методики оценки эффективности переключения поляризации в тонких пленках сегнетоэлектрика BST и мультиферроика NBFO. Расчет и оценка параметров аппроксимации зависимости интенсивности второй гармоники от диэлектрической поляризации и их связи с электрофизическими параметрами.

2. Исследование зависимости параметров переключения диэлектрической поляризации в пленках BST и NBFO и мультислойных структурах на их основе от толщины пленки (слоя) и частоты переменного внешнего электрического поля.

3. Разработка методики нелинейно-оптической микроскопии для локального исследования процессов переключения поляризации в планарных мультислойных структурах. Исследование однородности параметров.

4. Моделирование оптических свойств сегнетоэлектрических фотонных кристаллов с различной симметрией фотонно-кристаллической решетки. Численное исследование зависимости спектров пропускания сегнетоэлектрических ФК от параметров структуры (период структуры, диаметр и глубина единичного элемента, отношение периода структуры к длине волны излучения). Экспериментальное исследование оптических свойств фотонных кристаллов на основе BST.

5. Разработка и реализация модели нелинейного перестраиваемого металлосегнетоэлектрического фотонного кристалла и способа его переключения.

Методы исследования. Экспериментальные исследования особенностей переключения диэлектрической поляризации в сегнетоэлектрических тонких пленках, мультислойных планарных структурах и фотонных кристаллах проведены при помощи оригинальных, разработанных, в том числе при участии соискателя, экспериментальных методик на основе методики генерации второй оптической гармоники. Локальные исследования процессов переключения в планарных мультислойных структурах сегнетоэлектрик/мультиферроик проведены при помощи оригинальной, разработанной в ходе выполнения работы методики нелинейно-оптической микроскопии. При решении задач моделирования использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладного программного продукта CST Studio Suite.

Научная новизна:

1. Разработана нелинейно-оптическая методика, позволяющая получать параметры переключения диэлектрической поляризации, в том числе диэлектрическую проницаемость, коэрцитивное поле, а так же доли переключаемой и непереключаемой диэлектрической поляризации в сегнетоэлектрических и мультиферроидных тонких пленках и нанослоях в диапазоне частот от 1 мГц до 200 кГц 2. Разработана методика нелинейно-оптической микроскопии для локального исследования параметров переключения диэлектрической поляризации в планарных мультислойных структурах сегнетоэлектрик/мультиферроик с латеральным пространственным разрешением до 1.5 мкм.

3. С использованием программного пакета прикладного программного продукта CST Studio Suite проведено систематическое исследование влияния параметров сегнетоэлектрических ФК-структур с квадратным и гексагональным упорядочением на условия распространения в них оптического излучения в диапазоне длин волн 400-780 нм.

4. Разработана модель и осуществлен экспериментальный образец переключаемого металло-сегнетоэлектрического фотонного кристалла, обеспечивающего глубину нелинейно-оптической модуляции до 102.

Обоснованность и достоверность полученных результатов определяется соответствием выводов, сделанных на основе разработанных теоретических моделей, результатам экспериментальных исследований. Результаты диссертационной работы согласуются с экспериментальными и теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными и российскими научными группами в данной области.

Практическая значимость. Нелинейно-оптическая методика является единственной методикой, позволяющей получать параметры переключения сегнетоэлектриков в планарной геометрии электродов с латеральным пространственным разрешением до 1 мкм. Полученные результаты имеют значение для диагностики сегнетоэлектрических структур и устройств, использующих планарную геометрию, и используются в настоящее время при разработке сегнетоэлектрических электрооптических модуляторов, фазовращателей, а также пассивных и активных фотоннокристаллических структур. По результатам четвертой главы возможна разработка на основе нелинейного перестраиваемого фотонного кристалла сверхбыстрого пространственно-частотного переключателя и оптического ключа в широком спектральном диапазоне.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»(INTERMATIC), 2005 г., 2010 г., Россия; Международная конференция «Микро- и наноэлектроника» (ICMNE), 2007 г., Россия;

Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XIX, ВКСXVIII), 2008 г., 2011 г., Россия; Европейская конференция по применению полярных диэлектриков (ECAPD) 2006 г., Франция; 2008 г., Италия; Российскотайваньский симпозиум по применению наноструктур для фотоники и оптоэлектроники, 2007 г., Тайвань; Международная конференция по физике материалов и физике конденсированного состояния (MSCMP) 2006 г., 2008 г., 2010 г., Молдова; Международная конференция по функциональным материалам и наноструктурам (FM&NT), 2009 г., Латвия; Международная конференция по функциональным материалам (ICFM) 2009 г., 2011 г., Украина; РоссийскоСНГ-Балтийский симпозиум по сегнетоэлектричеству (RCBJSF) 2010 г., Япония; Международная конференция по применению сегнетоэлектриков (ICAFPFM), 2011 г., Канада.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 патента РФ на изобретение, 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций и 3статьи в материалах международных конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 121 наименование. Объем диссертации насчитывает 136 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка и 3 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нелинейно-оптическая методика позволяет в сегнетоэлектрических и мультиферроидных тонких пленках и нанослоях с планарной геометрией электродов получать локальные значения параметров переключения диэлектрической поляризации: доли переключаемой и непереключаемой диэлектрической поляризации, коэрцитивное поле, диэлектрическую проницаемость, а также контраст нелинейно-оптической модуляции – все с пространственным латеральным разрешением до 1 мкм и в диапазоне частот от 10 мГц до 200 кГц.

2. В области низких (до 1 Гц) частот с ростом толщины пленки BST от 25 до 65 нм величина коэрцитивного поля не изменяется. В области частот более 1 Гц с ростом толщины пленки величина коэрцитивного поля уменьшается более чем в два раза. При увеличении толщины пленки контраст нелинейно-оптической модуляции снижается более чем в два раза во всем диапазоне частот.

3. В монокристаллических пленках феррита висмута отношение когерентной составляющей интенсивности второй гармоники при приложении электрического поля, равного 100 кВ/см2, к некогерентной составляющей, измеренным по индикатрисам рассеяния, уменьшается с ростом толщины пленки и составляет 12.5:1, 1.1:1 и 0.8:1 для пленок толщиной 70, 210 и 420 нм, соответственно. Аналогично при увеличении толщины пленки изменяется ее шероховатость, характеризующаяся латеральным размером зерна. При увеличении толщины пленки средний латеральный размер зерна возрастает от 50 до 700 нм, а отношение когерентной составляющей к некогерентной уменьшается. Таким образом, индикатрисы рассеяния второй гармоники являются мерой шероховатости тонких сегнетоэлектрических пленок.

4. Экспериментально подтверждено, что во всех исследованных пленках некогерентная составляющая поля второй гармоники является непереключаемой.

5. При увеличении толщины слоя в мультислойной структуре BST/BFO на подложке MgO от 3 до 20 нм возрастает доля непереключаемой поляризации, коэрцитивное поле и контраст нелинейной электрооптической модуляции. Максимальный контраст нелинейной электрооптической модуляции для слоя толщиной 3 нм составляет 1,13; при увеличении толщины пленки до 20 нм максимальный контраст возрастает до 1,49.

6. В перфорированной наноразмерной сегнетоэлектрической пленке (двумерном фотонном кристалле) размером 100 х 100 мкм с размером отверстий 500 нм и периодом 700 нм по сравнению с монолитной эпитаксиальной пленкой уменьшается до нуля доля непереключаемой поляризации, дающей вклад в когерентную составляющую поля второй гармоники и увеличивается доля непереключаемой поляризации, дающей вклад в не когерентную составляющую поля второй гармоники. Максимальный контраст нелинейной электрооптической модуляции равен 1:1.98 для монолитной пленки и 1:2. для двумерного металло-сегнетоэлектрического фотонного кристалла.

7. Двумерный металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл реализует функцию пространственно-частотного переключателя за счет изменения на выходе кристалла направления выходящего из кристалла излучения светового потока по принципу «0» и «1» и обеспечивает глубину нелинейнооптической модуляции до 102.

8. В двумерном инвертированном сегнетоэлектрическом фотонном кристалле при увеличении отношения диаметра структуры к периоду положение центра запрещенной фотонной зоны смещается в область более коротких длин Личный вклад автора заключается в общей постановке целей и задач исследования, получении, обработке и анализе основных результатов, интерпретации и обобщении полученных данных и формулировке выводов и основных научных положений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность выбранной тематики, сформулированы цель и основные задачи работы, указаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов и основные научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора, структуре и объеме работы.

В первой главе приводится обзор работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию особенностей переключения диэлектрической поляризации в сегнетоэлектрических и мультиферроидных наноразмерных пленках и наноструктурах на их основе. Анализируются различные механизмы переключения в материалах, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, фундаментальные ограничения, связанные с наноразмерами исследуемых материалов. Проводится сравнение условий применения и эффективности различных электрофизических (схема Сойера-Тауэра, PUND и др.), оптических (эллипсометрия, рамановская спектроскопия) и микроскопических (электронная и сканирующая зондовая микроскопия) методик исследования процессов переключения диэлектрической поляризации; исследованы особенности применения указанных методик для диагностики наноматериалов.

Во второй главе представлены результаты исследования процессов переключения диэлектрической поляризации в тонких сегнетоэлектрических (Ba0,8Sr0,2TiO3) и мультиферроидных (Bi0,98Nd0,02FeO3) пленках.

Экспериментальные исследования параметров переключения проводились методом генерации второй оптической гармоники. Основные положения, применяемые при феноменологическом описании генерации второй оптической гармоники (ВГ), нелинейной поляризации и поля ВГ, а также связь параметров оптической ВГ и сегнетоэлектрической поляризации также сформулированы во второй главе. Зависимости интенсивности сигнала ВГ от приложенного электрического поля имеют квадратичную зависимость по поляризации и могут быть описаны выражением [4]:

где Ebg - некогерентная составляющая не зависящей от внешнего электрического поля (непереключаемой) части поля ВГ, P (E ) - зависящая от внешнего электрического поля (переключаемая) сегнетоэлектрическая поляризация, P представляет собой суперпозицию остаточной поляризации и когерентной составляющей непереключаемой поляризации, = ( 2) - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от факторов Френеля и нелинейной восприимчивости.

Из аппроксимации экспериментальных данных выражением (1) возможно найти Ebg, и Р0. Ebg в этом случае определяется как интенсивность минимума петли гистерезиса второй гармоники, переключаемая часть сегнетоэлектрической поляризации описывается выражением P( E ) = 0 E. ( 0 - низкочастотная диэлектрическая восприимчивость, 0 = 1 ) Задача аппроксимации существенно упрощается в случае когда Ebg = 0, поскольку уменьшается число подгоночных параметров. При выполнении условия P0 = 0 петли гистерезиса становятся симметричными относительно нулевого напряжения. Уменьшение переключаемой части поляризации относительно непереключаемой приводит к асимметризации петли вплоть до вырожденного «квазилинейного» типа [4].

Гетероэпитаксиальные тонкие пленки твердых растворов BST и NBFO были осаждены на подложках MgO (001) методом ВЧ-распыления в плазме кислорода многокомпонентных металлоксидных соединений поликристаллической керамической мишени стехиометрического состава [5]. Образцы были изготовлены группой В.М. Мухортова (Южный научный центр РАН).

Тонкие пленки BST В работе исследовалась серия тонких гетероэпитаксиальных пленок BST толщиной 5 – 210 нм. Структурное совершенство пленок, факт гетероэпитаксиального роста, параметры элементарной ячейки в направлении нормали к плоскости подложки и в плоскости подложки, а также ориентационные соотношения между пленкой и подложкой при комнатной температуре определялись методом рентгеновской дифрактометрии ( - 2 метод, съемка симметричных и асимметричных Брэгговских отражений, Cu K-излучение). Азимутальная разориентировка пленок составляет величину менее 10. Следуя работе [6], можно утверждать, что функциональные свойства пленок в значительной степени зависят от их толщины и определяются внутренними напряжениями и наличием дислокаций несоответствия на границе слоев.

Для наложения электрического поля на всех образцах на поверхность пленки была нанесена система встречно-штыревых электродов (ВШЭ) с шириной 1 мкм при толщине 270 нм и зазором между электродами около 1 мкм. Конфигурация электродов представлена на рис. 1. Данная система электродов позволяла поляризовать пленку в зазорах между электродами в а-конфигурации (домены ориентированы в плоскости пленки). К электродам прикладывалось пилообразное напряжение амплитудой ±10 В, что соответствует величине напряженности электрического поля в зазоре порядка 105 В/см.

Поскольку области сегнетоэлектрика в соседних зазорах ВШЭ поляризованы противоположено, их вклады в ВГ компенсируют друг друга. Нарушение компенсации происходит в дифракционном направлении за счет сдвига фаз дифрагирующих волн света. В связи этим регистрация ВГ поводилась в дифракционной геометрии.

Параметры структуры ВШЭ таковы, что данная система может рассматриваться как дифракционная решетка с периодом, определяемым суммарной шириной электрода и зазора между электродами.

Рис. 1. Система встречно-штыревых электродов, нанесенных на поверхность образца: а) схематическое изображение; б) микрофотография, размер изображения 40х40 мкм.

Для проведения экспериментальных исследований методом генерации второй оптической гармоники была разработана экспериментальная установка Рис. 2. Зависимости интенсивно- ВГ от приложенного напряжения разсти ВГ от приложенного пере- личной частоты для пленки толщиной менного напряжения для пленки 70 нм (верхняя панель) и восстановBST толщиной 70 нм (вверху) и ленные на основе этих зависимостей восстановленные при помощи со- при помощи соотношений (1) и (2) отношения (1) петли сегнетоэлек- петли гистерезиса (зависимости дитрического гистерезиса электрической поляризации от привнизу). ложенного напряжения, нижняя панель). Как видно из рисунка, эти зависимости носят симметричный характер, что говорит о несущественной доле непереключаемой поляризации. Следует отметить, что проявление остаточной поляризации заметно в данном образце только при самых низких (порядка мГц) частотах внешнего электрического поля. При повышении частоты до 1 Гц петля гистерезиса «схлопывается» и при более высоких частотах не наблюдается. Уменьшение ширины петель при увеличении частоты говорит об уменьшении потерь, т.е. о получении пленок, удовлетворяющих условиям создания высокочастотных устройств.

Аналогичное поведение нелинейно-оптического отклика наблюдается с небольшими отклонениями во всем исследованном диапазоне толщин пленок.

Рис. 3 демонстрирует зависимости интенсивности ВГ от приложенного низкочастотного напряжения в пленках толщиной 35 нм (справа). Увеличение ширины петель при уменьшении толщины пленки, и их асимметричный характер говорит о наличии в пленках диэлектрических потерь, величина которых тем больше, чем выше относительный вклад границы раздела пленка-подложка в формирование сигнала ВГ. В области высоких частот нелинейно-оптический гистерезис не наблюдается для всех исследованных образцов.

Интенсивность ВГ (отн. ед.) Рис. 3. Зависимости интенсивности ВГ от приложенного переменного напряжения для пленки BST толщиной 30 нм (слева) и восстановленные при помощи соотношения (1) петли сегнетоэлектрического гистерезиса.

Поскольку интенсивность второй гармоники квадратична по полю и не может быть отрицательной, петля гистерезиса получается симметричной относительно оси ординат. Используя соотношение (1) интенсивность ВГ пересчитывается в поляризацию, и петля приобретает классическую форму.

Аппроксимация экспериментальных результатов при помощи соотношения (1) показывает, что при увеличении частоты внешнего поля от 10-3 до Гц контраст нелинейно-оптической модуляции уменьшается примерно в 2 раза.

Все исследованные образцы демонстрируют небольшой рост непереключаемой поляризации Р0.

Тонкие пленки NBFO Вторая группа образцов представляла пленки феррита висмута, допированного ионами неодима Bi0,98Nd0,02FeO3 (NBFO), выращенные на подложках (001)MgO методом высокочастотного распыления керамических мишеней. Была изготовлена серия образцов с различной кристаллической структурой (монокристаллической, поликристаллической с сильно выраженной текстурой и поликристаллической со слабовыраженной текстурой). Вторая серия образцов представляла собой монокристаллические пленки толщиной 35, 70, 150 и 225 нм.

Для исследования электроиндуцированной ВГ в монокристаллических образцах толщиной 35, 70, 150 и 225 нм была использована методика, изложенная выше. На рис. 4. представлены характерные зависимости интенсивности ВГ от электрического поля в планарной геометрии на образцах NBFO с различной толщиной при различных частотах. Из этих рисунков видно, что независимо от частоты для всех образцов в сигнале присутствует значительный фон. Сдвиг минимумов также наблюдается для всех образцов, причем наиболее ярко он выражен у образцов толщиной 35 нм и 150 нм. Наиболее симметричными являются кривые для образца толщиной 70 нм. Только на одном образце (35 нм) при низких частотах обнаружен гистерезис полевой зависимости интенсивности ВГ с коэрцитивным полем порядка 50 кВ/см. Форма петель позволяет сделать вывод о наличие в пленках непереключаемой части сегнетоэлектрической поляризации, сравнимой по величине с сегнетоэлектрической поляризацией, зависящей от внешнего электрического поля.

Полученные зависимости были аппроксимированы соотношением (1). Прежде всего, следует отметить, что в исследуемом диапазоне частот только для образцов толщиной 35 нм и 150 нм наблюдается заметная зависимость параметра P0 от частоты, причем для первого образца непереключаемая поляризация P возрастает с увеличением частоты, а для второго, наоборот, уменьшается. Наибольшим контрастом нелинейно-оптической модуляции обладает образец толщиной 70 нм, он же характеризуется наименьшими непереключаемыми вкладами в сегнетоэлектрическую поляризацию.

Методом генерации ВГ были исследованы также частотные зависимости диэлектрических потерь, результаты представлены на рис. 6. Наибольшими потерями (уменьшающимися с увеличением частоты) обладает образец толщиной 35 нм, наименьшими и не зависящими от частоты – образец толщиной 70 нм.

Как и в случае пленок BST возникновение в пленках толщиной 35 нм гистерезисного поведения при малых частотах можно объяснить наличием значительных диэлектрических потерь.

Исследование толщинных зависимостей показало, что параметры переключения существенным образом зависят от толщины пленок.

И для пленок NBFO, и для пленок БСТ существует критическая толщина порядка 40-70 нм, при которой происходит значительное изменение свойств, которое проявляется и в толщинных зависимостях нелинейно-оптического от клика.

Так, в пленках NBFO значительный гистерезис сегнетоэлектрической поляризации наблюдается только при толщинах, меньших 70 нм. Аналогичная тенденция наблюдается и в пленках BST (рис.2, 3). Вместе с тем, в пленках NBFO наиболее эффективное переключение наблюдается для пленок толщиной 75 нм, и не растет с увеличением толщины. В пленках BST контраст нелинейнооптической модуляции возрастает с увеличением толщины вплоть до 200 нм.

Рис. 4. Зависимости интенсивности ВГ от электрического поля в планарной геометрии на образцах NBFO с различной кристаллической структурой при частотах «треугольного напряжения»: (а) – 1 кГц, (б) – 0.1 Гц. Для наглядности кривые сдвинуты по вертикальной оси относительно друг друга на 100 единиц.

В третьей главе рассматриваются результаты применения метода нелинейно-оптической микроскопии для исследования мультислойных структур, обладающих сегнетоэлектрическими и мультиферроидными свойствами в планарной геометрии приложения поля.

Исследуемые образцы были изготовлены при помощи методики ВЧраспыления и содержали 5 и 11 слоев BST/BFO. Верхним и нижним слоем на обоих образцах была пленка BST. Первый образец («тонкий») состоял из пяти слоев толщиной 20 нм (общая толщина 100 нм), второй («толстый») – из слоев толщиной 13 нм (общая толщина 143 нм).

Детальное исследование сегнетоэлектрических петель гистерезиса показало наличие высокой доли непереключаемой поляризации в «тонком» образце, который обладает также высокими диэлектрическими потерями и большим контрастом переключения. В «толстом» образце петля сегнетоэлектрического гистерезиса имеет симметричную форму; образец обладает низкими диэлектрическими потерями и меньшим контрастом переключения.

Локальные исследования параметров переключения сегнетоэлектрической поляризации были проведены методом нелинейно-оптической микроскопии.

Для получения нелинейно-оптических изображений образцов использовался двухфотонный сканирующий микроскоп [5]. В некоторых экспериментах лазерное пятно имело диаметр 50 мкм. При таком пятне элементы структуры микронного размера неразрешимы; результаты, полученные в этих экспериментах, будем называть «усредненными», имея в виду, что интенсивность второй гармоники в этом случае является результатом усреднения полей ВГ, генерируемыми отдельными микронными элементами по всей площади пятна. Отметим, однако, что даже «усредненные» по пятну в 50 мкм характеристики для планарной геометрии являются на несколько порядков более локальными, чем характеристики, полученные электрофизическими методами.

На рис.5 представлены изображения BST/BFO мультислойной структуры на длине волны второй гармоники (400 нм) при различных напряжениях между электродами. При нулевом напряжении область электродов выделяется неоднозначно, поскольку на изображении и светлые, и темные полосы прерывисты.

Однако приложение поля эту неоднозначность полностью снимает: область сегнетоэлектрика (зазора) становится намного ярче межэлектродной области.

Поскольку нелинейно-оптические петли гистерезиса, как правило, несимметричны (за счет наличия непереключаемой поляризации [6]), то интенсивность сигнала в соседних зазорах разная. При переключении знака электрического поля, микроскопическая картина изменяется на противоположную: более яркие области сегнетоэлектрика тускнеют, а те, которые были тусклыми, становятся ярче. Электродная область также несколько изменяется по интенсивности ВГ, что связано с размером пятна, которое близко к размеру самого элемента структуры (зазора или электрода), то есть при зондировании структуры край пятна задевает за электрод и наоборот.

Рис. 5. Изображение мультислойной структуры BST/BFO на длине волны второй гармоники 400 нм при различных напряжениях между электродами. Размер изображения 15 х 15 мкм.

На рис. 6 наблюдается практически полное совпадение петель гистерезиса, построенных по «усредненному» (100 мкм) и локальному (1,5 мкм) сигналам второй гармоники. В том, и в другом случае картина является изотропной, а доменная структура в пленках различной толщины не разрешается. Вместе с тем, микроскопические изображения показывают, что изменение поляризации на площади порядка 2 мкм2 происходит неоднородно, что может быть в наших образцах связано как с неоднородностью структуры, так и с шероховатостью боковых поверхностей электродов, а также вызванных этими шероховатостями утечками с областей повышенного локального поля.

Рис. 6. Петли гистерезиса, полученные «усредненным» методом при диаметре пятна 50 мкм (сплошная линия) и методом ГВГ микроскопии (точки) (последняя получена в центре изображений размером 5 х 5 мкм). На вставках – примеры изображений 5 х 5 мкм в отдельных точках петли гистерезиса – при -50В, +50В, -10В, +10В.

Были проведены также исследования магнитоиндуцированной ВГ в мультислойных структурах BST/NBFO. Обычно в мультиферроидных материалах для выделения магнитоиндуцированного вклада в интенсивность второй гармоники используют поляризационные правила отбора, а также анализ спектральных зависимостей интенсивности ВГ с последующим выбором магниторезонансных длин волн. В наших исследованиях, в дополнение к вышеперечисленным, нами использовалась оригинальная методика «выключения» сегнетоэлектрического вклада путем приложения коэрцитивного напряжения (порядка -10 V для наших образцов). Была установлена оптимальная поляризационная конфигурация (p-in, s-out), обеспечивающая наибольшую глубину нелинейнооптической модуляции в системе.

В четвертой главе объектом исследования являются двумерные фотонные кристаллы и возможность использования в них линейных дефектов в качестве ФК-волноводов. Использование подобного рода структур позволяет повысить уровень интеграции элементов передачи данных на единую подложку. Для решения этой задачи проведено математическое моделирование различных фона МДДР для двух длин волн. На вставке - спектральные зависимости максимумов А и В, связанных с двумерным ФК.

Кроме того, при наложении поля появляется дополнительный максимум при доп =25, удовлетворяющий условию k 2 = 2k + Ql для решетки с периодом D=1000 мкм, то есть удвоенному периоду ФК. Интересно отметить, что при угле падения доп =50 дополнительные дифракционные максимумы не появляются ни в отсутствие, ни при наличии электрического поля. Спектральная зависимость интенсивности дополнительных максимумов приведена на вставке к рис. 10. Наибольшей интенсивности дополнительный максимум А достигает при длине волны накачки в области 790-820 нм.

Распределение интенсивности основных дифракционных максимумов без приложения поля близко к классическому: первый максимум по порядку величины сравним с нулевым, второй и третий сравнимы по величине между собой и меньше предыдущих. При наложении поля происходит значительное увеличение и перераспределение интенсивности: наибольшую интенсивность имеет поляризационный максимум с номером р = 2, интенсивности максимумов с номерами р=1 и р= одинаковы по порядку величины. В то же время приложение поля к МДДР приводит к появлению классического распределения интенсивности на нелинейной фазовой решетке: наиболее интенсивным является первый максимум, интенсивность последующих постепенно спадает.

Распределение интенсивности в дифракционной картине существенно зависит от длины волны. В отсутствие поля первый основной максимум является доминирующим для центральной и длинноволновой части спектра. В коротковолновой части спектра происходит перераспределение интенсивности в пользу максимума с номером m=3. В отсутствие поля спектральные зависимости интенсивности основных максимумов крайне нерегулярны, при наложении поля происходит их сглаживание с преобладанием первого основного максимума во всем спектральном диапазоне. Наблюдаемое искажение дифракционной картины в области двумерного ФК обусловлено интерференцией дифракционных картин от МДДР и собственно ФК. При этом имеет место дифракция, как на основной длине волны, так и на длине волны ВГ. Наложение поля приводит к удвоению периода и появлению нелинейной решетки, что еще более усложняет результирующую дифракционную картину.

Таким образом, наличие двумерного ФК приводит к появлению дополнительного максимума в дифракционной картине, а также к перераспределению интенсивности основных и поляризационных дифракционных максимумов, обусловленных МДДР.

Свойства фотонных кристаллов могут быть использованы для создания сверхбыстрого пространственно-частотного переключателя на фотонном кристалле (рис. 11). В отсутствии внешнего электрического поля излучение, дифрагирующее под углами = 5о и 10о, попадает на 2 фотоприемника (пикселя матрицы фотоприемника). Излучение, пришедшее на пиксель 2, имеет интенсивность, достаточную для реализации на нем логической единицы, а энергия излучения, пришедшего на пиксель 1, недостаточно для реализации логической единицы, поэтому реализуется состояние, соответствующее логическому нулю. При воздействии на образец электрическим полем, дифракционная картина изменилась, как описано выше. Излучение, пришедшее на первый пиксель, имеет значительно большую интенсивность по сравнению с интенсивностью, пришедшей с фотонного кристалла без поля. На нем реализуется состояние логической единицы. На втором пикселе интенсивность при приложении электрического поля к образцу уменьшается, поэтому регистрируется сигнал, соответствующий логическому нулю.

Изучение изменения распределения интенсивностей дифракционной картины при изменении длины волны детектирующего излучения позволяет спроектировать прибор, работающий в различных диапазонах длин волн. Интегрируя несколько оптических переключателей и ключей, можно создать фотонный кристалл с быстродействием выше, чем у имеющихся электронных микросхем.

Переключатель на фотонном кристалле за счет разницы дифракционных картин при облучении его разными длинами волн можно использовать в многомодовом режиме при правильном размещении детектирующих приемников. Преимуществом таких приборов является переход от электрических носителей к оптическим, что позволит снизить энергопотребление и потери.

Рис. 11. Схема оптического пространственно-частотного переключателя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Разработана нелинейно-оптическая методика, позволяющая получать параметры переключения диэлектрической поляризации, в том числе – контраст нелинейно-оптической модуляции, коэрцитивное поле, а также доли переключаемой и непереключаемой диэлектрической поляризации в сегнетоэлектрических и мультиферроидных тонких пленках и нанослоях с пространственным разрешением 50 мкм.

а) Исследованы в планарной геометрии зависимости интенсивности второй оптической гармоники от частоты переключающего электрического поля в диапазоне частот от 1 мГц до 10 кГц для сегнетоэлектрических тонких пленок титаната бария стронция толщиной от 25 до 140 нм и мультиферроидных пленок феррита висмута, допированного неодимом, толщиной от б) На основе теоретического анализа параметров зависимости интенсивности ВГ от приложенного напряжения при различных частотах определены доли непереключаемой поляризации и контраст нелинейно-оптической модуляции и построены зависимости параметров переключения от толщины пленок. Показано, что во всех исследованных пленках некогерентная составляющая поля второй гармоники является непереключаемой.

в) Исследованы особенности нелинейно-оптического отклика мультиферроидных тонких монокристаллических пленок различной шероховатости.

Показано, что индикатрисы рассеяния второй гармоники могут служить мерой шероховатости тонких сегнетоэлектрических пленок.

г) Исследованы параметры переключения сегнетоэлектрической поляризации в мультислойных структурах сегнетоэлектрик/мультиферроик с различной толщиной слоя (3, 6, 13 и 20 нм) и числом слоев. Показано, что при увеличении толщины слоя в мультислойной структуре BST/NBFO на подложке MgO от 3 до 20 нм возрастает доля непереключаемой поляризации и контраст нелинейной электрооптической модуляции.

2. Разработана методика нелинейно-оптической микроскопии для локального исследования параметров переключения диэлектрической поляризации в планарных мультислойных структурах сегнетоэлектрик/мультиферроик.

а) Создана экспериментальная установка, обеспечивающая проведение исследований с латеральным пространственным разрешением до 1 мкм.

б) Проведены экспериментальные исследования планарных мультислойных структур сегнетоэлектрик/мультиферроик с толщиной слоя 3 – 20 нм при приложении постоянного напряжения с амплитудой в диапазоне ±30В и частотой от 10мГц до 200кГц.

в) Проведено сравнение петель гистерезиса, построенных по «усредненному» (диаметр лазерного пятна в плоскости образца d = 50 мкм) и локальному (d = 1.5 мкм) сигналам второй гармоники. На основании проведенного сравнения показано, что доменная структура не может быть разрешена методом оптической микроскопии.

г) Методом нелинейно-оптической микроскопии проведены экспериментальные исследования параметров переключения намагниченности в мультиферроидном слое мультислойных структур BST/NBFO, для чего была разработана оригинальная методика изоляции сегнетоэлектрического вклада во вторую гармонику. Установлена оптимальная поляризационная конфигурация (p-in, s-out), обеспечивающая наибольшую глубину нелинейно-оптической модуляции в системе.

3. С использованием программного пакета прикладного программного продукта CST Studio Suite проведены методом численного моделирования исследования оптических свойств двумерных фотонных кристаллов на основе тонкой пленки сегнетоэлектрика. Исследовано влияние параметров сегнетоэлектрических ФКструктур с квадратным и гексагональным упорядочением на условия распространения в них оптического излучения в диапазоне длин волн 400-780 нм.

4. Проведены экспериментальные исследования методом ГВГ процессов переключения сегнетоэлектрической поляризации в двумерных фотонных кристаллах на основе сегнетоэлектрических тонких пленок BST.

а) Разработана методика изготовления методом травления фокусированным ионным пучком двумерных фотонных кристаллов на основе сегнетоэлектрических тонких пленок с планарной встречно-штыревой системой электродов. Изготовлены образцы размером 100 х 100 мкм с размером отверстий 500 нм и периодом 700 нм.

б) Проведено сравнение параметров переключения поляризации (доли непереключаемой поляризации и контраста нелинейной электрооптической модуляции) в ФК-структурах с аналогичными параметрами для монолитных (неперфорированных) эпитаксиальных пленок BST.

5. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложена модель переключаемого металло-сегнетоэлектрического фотонного кристалла. Показано, что при использовании нелинейно-оптического режима переключения двумерный металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл реализует функцию переключателя за счет изменения на выходе кристалла направления выходящего из кристалла излучения светового потока по принципу «0» и «1» и обеспечивает глубину нелинейно-оптической модуляции до 102, что значительно превышает аналоги, использующие линейное оптическое переключение.

1. Mishina E.D., Sherstyuk, N.E.; Stadnichuk V.I., Sigov, A.S.. Mukhorotov V.M., Golovko Yu.I., Van Etteger A., Rasing Th. Nonlinear-optical probing of nanosecond ferroelectric switching //Appl. Phys. Lett. 2003. V.83. P.2402.

2. Larsen P.K., Kampscher G.L.M., Ulenaers M.J.E., Spierings G.A.C.M., Cuppens R. Nanosecond switching of thin ferroelectric films // Appl. Phys. Lett. 1991.

V.59. P.611.

3. Li J., Nagaraj B., Liang H., Cao W., Lee H., Ramesh R.. Ultrafast polarization switching in thin-film ferroelectrics // Appl. Phys. Lett. 2004. V.84. P.1174.

4. Кузнецов М.А., Мишина Е.Д., Морозов А.И., Сигов А.С., Головко Ю.И., Мухортов В.М., Мошняга В.Т. Магнитоэлектрические и нелинейно-оптические свойства пленок BiFeO3, допированных неодимом // Нано-и микросистемная техника. 2007. №12. С.20.

5. Мухортов В.М., Головко Ю.И., Толмачев Г.Н., Мащенко А.И.. Гетероэпитаксиальный рост пленок сложного оксида из самоорганизующейся системы, образующейся в плазме газового разряда // ЖТФ. 1999. Т.69. В.12. С.87–91.

6. Мухортов В.М., Головко Ю.И., Колесников В.В., Бирюков С.В. Формирование доменной структуры под действием деформационных полей в наноразмерных пленках титаната бария-стронция // Письма в ЖТФ. 2005. Т.31. В.23. С.75– 80.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

в журналах из списка ВАК:

1. Mishina E., Zaitsev A., Ilyin N., Sherstyuk N., Sigov A., Golovko Yu., Muhortov V., Kolesnikov A., Lozovik Yu., Yemtsova M., Rasing Th. Switchable nonlinear metalloferroelectric photonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2007. V.91. №4.

P.041107.

2. Шерстюк Н.Э., Ильин Н.А., Семин С.В., Мишина Е.Д., Мухортов В.М. Исследование сегнетоэлектрических свойств пленок феррита висмута методом генерации второй оптической гармоники // Физика твердого тела. 2009.

Т.51. Вып.7. С.1284–1286.

3. Simagina L.V., Mishina E.D., Semin S.V., Ilyin N.A., Volk T.R., Gainutdinov R.V., Ivleva L.I. Second harmonic generation in microdomain gratings fabricated in strontium-barium niobate crystals with an atomic force microscope // J. of Applied Physics. 2011. V.110. P.052015.

4. Ильин Н.А., Никонорова Т.В., Шерстюк Н.Э., Мишина Е.Д. Оптические свойства фотонно-кристаллических структур на основе монокристаллического GaAs // Нано- и микросистемная техника. 2011. №3. С.17–20.

5. Мишина Е.Д., Семин С.В., Швырков К.В., Кудрявцев А.В., Ильин Н.А., Шерстюк Н.Э., Мухортов В.М. Нелинейно-оптическая микроскопия и спектроскопия сегнетоэлектрических и мультиферроидных материалов // Физика твердого тела. 2012. Т.54. Вып.5. С.836–842.

в других рецензируемых изданиях:

6. Ильин Н.А., Кузнецов М.А. Исследование процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках с использованием автоматизированного поляризационного нелинейно-оптического спектрометра // Материалы Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» – ПЛЕНКИ'05, 10–14 ноября 2005 г., Москва. М.: МИРЭА. Ч.1. 2005. С.88–91.

7. Фирсова Н., Ильин Н., Мишина Е., Сенкевич С., Пронин И., Холкин А.

Фемтосекундный лазерный отжиг тонких пленок PZT на металлизированной подложке // Материалы VII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC–2010). М.: Энергоатомиздат. Ч.2. 2010. С.43–45.

8. Ильин Н.А., Макаревич Т.В. Разработка и исследование свойств фотоннокристаллических структур на основе монокристаллического GaAs // Материалы VII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC– 2010). М.: Энергоатомиздат. Ч.2. 2010. С.122–125.

9. Патент 2341817 Российская Федерация, МПК G02F 1/05 (2006.01). Нелинейный перестраиваемый металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл (варианты) и способ его переключения / Мишина Е.Д., Федянин А.А., Шерстюк Н.Э., Ильин Н.А., Зайцев А.А., Сигов А.С., Мухортов В.М., Головко Ю.И.; заявитель и патентообладатель МГТУ МИРЭА.

№ 2006138686/28; заявл. 02.11.2006; опубл. 20.12.2008, Бюл. №35. 11 с.: ил.

10. Патент 2359253 Российская Федерация, МПК G01N21/63 (2006.01). Способ оптической регистрации быстропротекающих процессов / Мишина Е.Д., Шерстюк Н.Э., Кузнецов М.А., Ильин Н.А.; заявитель и патентообладатель МГТУ МИРЭА. №2007146890/28; заявл. 20.12.2007; опубл. 20.06.2009, Бюл.

Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60 х 84 1 / 16.

119526, г. Москва, Страстной бульвар, д. 6, стр.