Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3

Шебунина, Анна Владимировна

Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Шебунина, Анна Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3»

Автореферат диссертации на тему "Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3"

На правах рукописи УДК 537.226.33

ШЕБУНИНА Анна Владимировна

МИКРОДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ РЬТЮ3 И В ПРОВОДЯЩИХ КРИСТАЛЛАХ ВаТЮ3

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре физической электроники государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент

Валентин Владиславович Рычгорский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Анатолий Алексеевич Бережной

доктор физико-математических наук, профессор

Евгений Борисович Шадрин

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита состоится «/£ » РЯГгР^сР 2006 г. в /С часов на заседании Диссертационного совета Д 212.199.21 по присуждению ученой степени доктора наук в Российском государственном педагогическом университете имени А.И.Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 3, ауд. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена

Автореферат разослан « //

Ученый секретарь Диссертационного совета канд. физ.-мат. наук, доцент

Н.И. Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время наблюдается возрастание интереса к сегнетоэлектрикам в связи с использованием их в технических устройствах: управления световыми лучами (модуляции, демодуляции), в лазерных устройствах, компьютерной памяти. Сегнетоэлектрики используются в качестве плавающего затвора в полевом транзисторе, что привело к появлению термина "сегнетоэлектрический транзистор". Функционирование этих устройств требует понимания процессов переключения сег-нетоэлектрика, а эти процессы непосредственно связаны с доменными и микродоменными структурами. Под термином "микродоменные структуры сегнетоэлектриков" подразумеваются мелкие доменные структуры с периодами, соизмеримыми с длиной волны света, обладающие выраженной периодичностью. Причины появления таких структур могут сильно отличаться от причин, приводящих к появлению доменов больших размеров. Изучение различных микродоменных структур является, таким образом, актуальным для создания технических устройств современной микроэлектроники.

Существует много методов исследования доменных структур сегнетоэлектриков. К их числу относятся: метод травления, метод заряженных порошков, оптический метод и т.д. С помощью перечисленных методов можно изучать макродоменные структуры сегнетоэлектрических кристаллов. Это домены с размерами в десятки, сотни и более микрон. Применение метода генерации второй оптической гармоники открыло некоторые дополнительные возможности в изучении микродоменных структур сегнетоэлектриков. Наблюдение генерации второй оптической гармоники дает информацию о микродоменных структурах кристаллов, которую трудно получить с помощью непосредственного наблюдения, так как периоды этих структур близки к пределу возможностей оптических методов.

Объект исследования. В настоящей работе объектами исследования являются сегнетоэлектрические кристаллы РЬТЮ3 и проводящие кристаллы ВаТЮ3. Выбор соответствующих кристаллов объясняется тем, что эти материалы еще не исследовались методом второй оптической гармоники. Кристаллы РЬТЮз, также как и кристаллы ВаТЮ3> не обладают естественным синхронизмом, но одинаковость точечных и пространственных классов симметрии позволяет предположить существование микродоменных структур, а, следовательно, возможность генерации второй гармоники.

Титанат бария и титанат свинца являются одними из наиболее изученных сегнетоэлектрических материалов. Эти кристаллы принадлежат к одному классу симметрии: 4шш - точечная группа симметрии, Р4шт -пространственная. Для кристаллов ВаТЮ3 и РЬТЮ3 изучены нелинейно-оптические свойства, температурные зависимости двулучепреломления,

диэлектрической проницаемости, удельной теплоемкости, спонтанной поляризации. Подробно изучена доменная структура этих сегнетоэлектри-ков. Показано, что наряду со 180-градусными доменными стенками существуют и 90-градусные стенки. Для непроводящих кристаллов ВаТЮз известны диаграмма направленности углового распределения интенсивности второй оптической гармоники и период микродоменной структуры, на которой происходит рассеяние света [1]. Период этой структуры составляет примерно 3 мкм.

Цель работы. Целью работы являлось обнаружение и исследование микродоменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮ3 и в проводящих кристаллах ВаТЮз методом генерации второй оптической гармоники, и установление факторов, влияющих на параметры этих структур.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Получить пространственные спектры излучения второй оптической гармоники на соответствующих кристаллах и на основании наблюдаемых спектров оценить периоды ожидаемых структур.

2. Установить ориентации микродоменных структур относительно кристаллографических осей в сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз и в проводящих кристаллах ВаТЮз.

3. Изучить температурные и амплитудные зависимости периодов микродоменных структур в соответствующих сегнетоэлектриках.

4. Разработать модель, описывающую ориентации векторов стационарной микродоменной структуры относительно кристаллографических плоскостей и направлений в кристаллах РЬТЮз и в проводящих кристаллах ВаТЮ3.

5. Дать рекомендации по учету обнаруженных структур при создании на основе изучаемых сегнетоэлектрических материалов функциональных элементов приборов оптической и электронной техники.

Научная новизна. В отличие от большинства работ, посвященных изучению доменного строения и генерации второй оптической гармоники в непроводящих кристаллах ВаТЮз, в настоящей диссертации исследовались методом генерации второй оптической гармоники сегнетоэлектриче-ские кристаллы РЬТЮз и проводящие кристаллы ВаТЮ3. На основе экспериментальных результатов установлено, что в кристаллах РЬТЮз и в проводящих кристаллах ВаТЮ3 существуют микродоменные структуры с различными значениями периодов, причем в проводящих кристаллах ВаТЮз некоторые значения периодов зависят от температуры.

тации микродоменных структур в титанате свинца и в проводящих кристаллах титаната бария, обеспечивающих появление второй гармоники.

В работе [2] обнаружены аномалии диэлектрических свойств РЬТЮ3 в температурном интервале 100-200°С. В данной работе экспериментально показано, что в указанном температурном интервале существуют и аномалии в генерации второй оптической гармоники в кристаллах титаната свинца.

Сделан вывод о существовании более сложной и разнообразной микродоменной структуры в сегнетоэлектрических кристаллах титаната свинца и в проводящих кристаллах титаната бария, по сравнению с непроводящими кристаллами титаната бария.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что предложена модель, согласно которой одной из причин появления микродоменных структур предлагается дисторсионное искажение элементарных ячеек на поверхности кристалла и на границах доменов и других неоднородностях в кристалле [3]. Ион титана, расположенный в центре ячейки в сегнето-электрической фазе, смещен относительно центра ячейки. В результате расстояние между ионами бария, находящимися в углах ячейки на грани, в сторону которой сместился ион титана, увеличивается, а на противоположной грани — уменьшается. Это и есть дисторсионное искажение решетки. В объеме кристалла такая деформация не возникает в силу симметрии. На поверхности кристалла такая деформация возможна, но далеко распространяться не может, поскольку возникнут очень большие упругие напряжения, и на некотором расстоянии деформация сменит знак. Таким образом, может возникнуть почти периодическая структура на поверхности кристалла или на поверхности различных дефектов. Детальное выяснение этих причин требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость. Полученная информация о существовании микродоменных структур в указанных материалах должна учитываться при конструировании приборов, использующих преобразование частот оптического излучения, а также в производстве электронных устройств, например микросхем памяти.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в РГПУ имени А.И.Герцена при подготовке магистров наук по направлению "Физика конденсированного состояния" и выполнении студентами старших курсов факультета физики курсовых и дипломных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В сегнетоэлектрических кристаллах титаната свинца существуют квазипериодические стационарные микродоменные структуры с тремя различными значениями периода структуры и направлениями вектора структуры.

2. В кристаллах титаната свинца в течение длительного хранения (несколько месяцев) площадь микродоменных структур, ответственных за генерацию второй гармоники, имеет тенденцию к увеличению, что говорит об энергетической выгодности этих структур.

3. В проводящих кристаллах титаната бария существует микродоменная структура, период которой зависит от температуры. С ростом температуры этот период уменьшается от 3,1 мкм до 1,9 мкм, что проявляется в смещении максимума излучения второй гармоники в сторону увеличения угла.

4. Построена полуколичественная модель, описывающая полученные экспериментальные результаты. Согласно этой модели векторы стационарных микродоменных структур направлены вдоль определенных кристаллографических плоскостей и направлений.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: в теоретическом плане согласием результатов исследования с литературными данными; интерпретацией полученных результатов на основе современных модельных представлений физики конденсированного состояния. В экспериментальном плане достоверность результатов обеспечивается статистической обработкой большого количества измерений и подтверждается повторяемостью результатов.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались на XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 2002), на Всероссийской научной конференции "Физика полупроводников и полуметаллов" (Санкт-Петербург, 2002), на Международной научно-практической конференции "Пьезотех-ника-2003" (Москва, 2003), на X Международной конференции "Физика диэлектриков" (Санкт-Петербург, 2004) и на семинарах кафедры физической электроники РГПУ имени А.И.Герцена.

Публикации. Основное содержание исследования отражено в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, содержащей 106 источников. Работа содержит 139 страниц, из них 62 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, защищаемые положения работы.

Первая глава "Доменная структура сегнетоэлектриков и нелинейная оптика" носит обзорный характер и посвящена изучению доменного строения и нелинейнооптических свойств сегнетоэлектрических кристаллов и генерации второй оптической гармоники в этих кристаллах, б

В главе I рассмотрена доменная структура различных сегнетоэлек-триков. В кристаллах Nai_xLixNb03 доминирующим элементом доменной структуры являются 90-градусные домены с границами типа (lOO). В этих кристаллах доменная структура отличается разнообразием [4]. Наряду с границами (lOO), существуют границы по плоскостям типа (llO), а также границы близкие к плоскости (ill). В сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз и ВаТЮз существуют 180-градусные и 90-градусные доменные стенки. В титанате свинца из-за 6%-го тетрагонального искажения угол между 90-градусными доменными границами равен не строго 90°. И отличается от прямого на величину 0, которую можно оценить по формуле

При продвижении по кристаллу РЬТЮз межфазных границ, ориентированных по (023), (023), (203) и (203), формируются с-а-двойниковые конфигурации, 90-градусные доменные стенки в которых совпадают с (lOl) или (Toi). Часто вслед за одной межфазной границей можно обнаружить области сегнетофазы, сдвойникованные по-разному: в одних 90-градусные доменные стенки ориентированы по (lOl), в других — по (Toi). Слоистые а-а-двойниковые конфигурации с 90-градусными доменными стенками (lio) или (Гю) формируются в результате продвижения межфазных границ (032), (032), (302) или (302). В этом случае также можно наблюдать, как вслед за одной межфазной границей на разных ее участках образуются области, в которых 90-градусные доменные стенки ориентированы по-разному: либо по (но), либо по (Ilо). Двойниковые а-с-конфигурации формируются в результате продвижения межфазных границ (320), (320), (230) и (23о). С двумя первыми связаны 90-градусные доменные стенки (101) или (Toi), а со вторыми - (110) или (по) [5].

В данной главе рассмотрена генерация второй гармоники в нелинейных кристаллах. Для эффективной перекачки энергии от основной волны ко второй гармонике, необходимо выполнение условия волнового синхронизма. На практике для достижения фазового синхронизма используются двулучепреломляющие сегнетоэлектрические кристаллы, например, LiNb03 и KDP, в которых присутствует естественный волновой синхронизм. Условие синхронизма выполняется в определенных направлениях, составляющих некоторый угол с оптической осью. Индикатрисы показателей преломления лучей основной частоты и второй гармоники пересекаются, точки пересечения соответствуют направлениям синхронизма. Здесь также показано, что генерацию второй гармоники можно наблюдать и в кристаллах PbTi03 и ВаТЮз, несмотря на отсутствие в них естественного волнового синхронизма. В этом случае для достижения волнового синхронизма используются имеющиеся в кристаллах стационарные пе-

риодические доменные структуры. Свет рассеивается на этих структурах, в результате выполняется закон сохранения импульса при генерации второй гармоники. Измеряя углы рассеяния света второй гармоники можно определить периоды и ориентации этих структур в кристаллах.

В этой же главе рассмотрены нелинейнооптические свойства сегне-тоэлектрических кристаллов РЬТЮз: температурная зависимость двулучепреломления в районе фазового перехода и в области низких температур (до -150°С). Также рассмотрены диэлектрические свойства РЬТЮз: температурные зависимости диэлектрической проницаемости, удельной теплоемкости, спонтанной поляризации. Отмечено, что в кристаллах РЬТЮз существует достаточно большое смещение из положения равновесия

__А . _ А , __<» . _ Л |

ионов РЬ и Т1 по сравнению со смещением ионов Ва и Т1 в кристаллах ВаТЮз.

В РЬТЮз существуют аномальные изменения ряда характеристик кристалла при нагревании в температурном интервале 150°-250°С. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости £"(/) в слабых полях 50^- на частоте 103-106Гц показывает, что у РЬТЮз появляется мак-см

симум £ при указанных температурах. Температурная зависимость пиро-тока также обнаруживает максимум при нагревании. Кроме того, для РЬТЮз обнаружены структурные изменения. При нагревании РЬТЮз наблюдается скачок параметров (дс =-0.007Л°, Да = +0.003/4°). Деформация ячейки в результате скачка соответствует уменьшению спонтанной поля-

тг

ризации Р5 в среднем на 1.75 . При охлаждении кристалла вышеука-

см2

занные аномалии отсутствуют [2].

На основе проведенного анализа состояния проблемы сформулированы приведенные выше цель и задачи исследования.

Во второй главе "Методика эксперимента" описывается методика проведения экспериментальных исследований.

В качестве образцов использовались полидоменные сегнетоэлектри-ческие кристаллы титаната свинца и титаната бария. Кристаллы были выращены в лаборатории сегнетоэлектриков РГПУ имени А.И.Герцена методом Ремейка из расплава в Ю\ При выращивании проводящих кристаллов титаната бария в шихту добавлялась примесь гадолиния.

В качестве источника излучения использовался УАО:К<13+-лазер заводского изготовления ЛТИПЧ-8. Активным элементом этого лазера является стержень из алюмоиттриевого граната с примесью ионов неодима Кс13+; размеры стержня 5><67 мм. Оптическая накачка осуществлялась лампой ИФП-800. Модуляцию добротности обеспечивал затвор из кристалла ОКЕ)Р. Длительность импульса 18«с, энергия импульса ЪОмДж, средняя

мощность импульсов 1 МЁИ.

см2

Непосредственно после лазера на оптической скамье закреплялся ИК-фильтр, предназначенный для того, чтобы свет от лампы накачки, содержащий разные длины волн, в том числе и зеленый свет (совпадающий с излучением второй гармоники), не попадал в фотоприемное устройство. Часть энергии лазерного луча, отраженная от фильтра, использовалась для измерения интенсивности первой гармоники. После ИК-фильтр а на пути лазерного луча закреплялся держатель с кристаллом. Излучение второй гармоники 12й), вышедшее из кристалла, с помощью гибкого световода направлялось в монохроматор (МДР-12), в котором вторая гармоника 12о} отделялась от первой гармоники. Фотоэлектронный умножитель на выходе монохроматора регистрировал интенсивность второй гармоники /2й>. Интенсивность первой гармоники 1а фиксировалась высокочастотным фотодиодом по отраженному от фильтра свету.

Исследование углового распределения интенсивности второй гармоники проводилось с помощью гониометра. На неподвижной части гониометра был закреплен держатель с кристаллом, а на подвижной части — один конец гибкого световода, на вход которого была надета диафрагма размером 0.5 мм. Другой конец световода был присоединен к входу монохроматора. Непосредственно перед входом световода закреплялся поляроид, для того чтобы определить поляризацию света второй гармоники. Сканирование по углу осуществлялось в горизонтальной и вертикальной плоскостях от 0° до ±90°. Расстояние от кристалла до входа световода равно 80 мм. Угол отсчитывался по лимбу гониометра с точностью 0.5°. Каждая точка зависимости была получена в результате статистической обработки серии из 8-10 импульсов лазера.

Для исследования температурного хода интенсивности второй оптической гармоники была изготовлена печь с окнами, позволяющими излучению проходить через образец с одновременным его нагревом.

Исследования температурных зависимостей интенсивности второй оптической гармоники проводились по следующей схеме. Вначале выбиралось взаимное расположение плоскости сканирования и кристаллографической плоскости (последняя определялась с помощью поляризационного микроскопа). После этого фиксировалась необходимая температура, и производилось сканирование. Каждая точка зависимости /2ш(г) была получена в результате статистической обработки серии из 8-10 импульсов лазера.

Третья глава "Микродоменная структура в сегнетоэлектриче-ских кристаллах РЬТЮ3 и в проводящих кристаллах ВаТЮз" посвящена результатам исследования микродоменных структур в сегнетоэлек-трических кристаллах РЬТЮ3 и проводящих кристаллах ВаТЮз при помощи генерации второй оптической гармоники. В этой же главе приводится обсуждение полученных экспериментальных результатов.

С помощью проведенных измерений интенсивности второй оптической гармоники установлено, что в кристаллах РЬТЮ3 и проводящих кристаллах ВаТЮз существуют микродоменные структуры. Периоды этих структур составляют 1 —3 мкм.

Для сегнетоэлектрических кристаллов РЬТЮз и проводящих кристаллов ВаТЮз получено угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники. Для кристаллов РЬТЮ3 диаграмма направленности содержит один асимметричный или два симметричных максимума интенсивности излучения второй гармоники. Эти максимумы наблюдаются под определенными углами ср^ по отношению к лучу накачки. Для РЬТЮз существуют три различные значения угла <ру рассеяния света второй гармоники в вакууме: <ру =±9°, <ру =±11° и =+30° (в последнем случае наблюдается только один асимметричный максимум излучения второй гармоники) относительно луча накачки. Эти три максимума одновременно не наблюдаются. Значение наблюдаемого утла <ру зависит от того, какой кристалл используется в эксперименте, и в какую область кристалла попадает излучение. Пример углового распределения интенсивности второй оптической гармоники показан на рис.1. Представленная кривая получена для угла рассеяния света <ру =±11° в кристаллах титаната свинца.

К I О

О.

га

15?

£ х

ёё

О X со к о

X ш н-

X 5

6-1

1 -

—1— -20

-1— -10

-Г-

-Г"

УГОЛ, ГРАД.

Рис.1. Угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники в кристаллах РЬТЮз, =±11°.

Проводящие кристаллы ВаТЮз содержат примесь вс! с концентрацией около 1%. Удельная проводимость этих кристаллов порядка

~10 10 (Ом ■ м) 1. Температурная зависимость сопротивления носит полупроводниковый характер. Для проводящих кристаллов ВаТЮэ диаграмма направленности содержит два асимметричных максимума излучения второй гармоники, расположенные под углами <pv =+7° и <pv = +15° по отношению к лучу накачки. Как и в случае титаната свинца, эти максимумы одновременно не наблюдаются. Значение наблюдаемого угла <pv зависит от того, какой кристалл используется в эксперименте, и в какую область кристалла попадает луч лазера. Для проводящих кристаллов ВаТЮз угол q>v рассеяния света зависит от температуры. Причем с ростом температуры положение максимума излучения второй гармоники смещается в сторону увеличения угла <pv. Такое смещение максимума наблюдается только в том случае, если значение угла рассеяния света второй гармоники при комнатной температуре составляет 7°. В случае значения угла 15° положение максимума интенсивности второй гармоники от температуры не зависит.

На основании экспериментальных данных предложена следующая модель. Волновой синхронизм в кристаллах титаната свинца обеспечивается стационарной микродоменной структурой с периодом

271

Ast =-,

9st

где qst — вектор стационарной микродоменной структуры. Согласно предложенной модели, направление вектора qst приближается к какому-либо кристаллографическому направлению или кристаллографической плоскости в кристалле. В сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз существуют три возможные направления вектора стационарной структуры qst. Одно из возможных направлений вектора qst в РЬТЮз составляет угол 55° с поверхностью кристалла, что совпадает с кристаллографической плоскостью (Ш), рис.2.

Это, возможно, связано с более сильным тетрагональным искажением кристаллов титаната свинца по сравнению с кристаллами титаната бария. Тетрагональное искажение PbTi03 при комнатной температуре составляет около 6% (для титаната бария 1%), угол между полярными осями смежных 90-градусных доменов не равен точно 90°, а отличается от него

на величину 2arctg^-^ « 3°20'. С этим механизмом синхронизации фаз связано появление пиков излучения второй гармоники под углами = ±11°.

Как следует из экспериментальных данных в некоторой области кристалла РЬТЮз, свет второй гармоники рассеивается в вакууме под углами <pv = ±9°. Для такого случая направление вектора стационарной структуры qst приближается к кристаллографическому направлению [НО].

Из расчетов с учетом тетрагонального искажения РЬТЮз следует, что угол между направлением вектора д^ и гранью кристалла составляет 47°.

Рис.2. Геометрия эксперимента по генерации второй оптической гармоники для случая, когда вектор стационарной микродоменной структуры лежит в кристаллографической плоскости (111).

Можно сделать заключение о наличии более сложного доменного строения РЬТЮз по сравнению с кристаллами BaTi03. Об этом свидетельствует наличие пика излучения второй гармоники под углом <pv = +30° относительно направления распространения луча накачки. Появление этого пика, возможно, связано с направлением луча накачки кт вдоль кристаллографической плоскости (ill). Вектор qst при этом составляет угол 80° с кристаллографической плоскостью (ill).

В проводящих сегнетоэлектрических кристаллах ВаТЮз существует три возможных направления вектора стационарной микродоменной структуры qst. Во-первых, вектор qst совпадает с кристаллографическим направлением [101]. В отличие от кристаллов РЬТЮз в кристаллах ВаТЮз

угол между вектором qst и гранью кристалла равен 45° [1]. Такое направление вектора qst соответствует углу рассеяния света 7°. Во-вторых, для угла рассеяния света 15° существует два направления вектора gst. Для конфигурации оо —> е, когда необыкновенный луч (е) второй гармоники рождается за счет обыкновенного луча (оо) первой гармоники, направление вектора qst составляет угол 80° с кристаллографической плоскостью (111). Для конфигурации ее-±е, когда необыкновенный луч (е) второй гармоники рождается за счет необыкновенного луча (ее) первой гармоники, направление вектора qst составляет угол 70° с кристаллографической плоскостью (111). Различие в направлениях qst для соответствующих конфигураций при одном и том же угле рассеяния света связано с тем, что для кристаллов ВаТЮз значения волновых векторов для обыкновенного и необыкновенного лучей значительно отличаются, по сравнению с кристаллами РЬТЮз.

Угол рассеяния света второй гармоники в вакууме q>v для титаната свинца рассчитан, исходя из закона сохранения импульса при генерации второй гармоники, по формуле

2кт _ к2(0 _ gst sin/? sin S sin (pm

где <pm — угол рассеяния света второй гармоники в веществе, qst - вектор стационарной микродоменной структуры кристалла.

Мы предполагаем, что необходимые для рождения второй гармоники структуры могут появляться за счет дисторсионных искажений кристаллической решетки на поверхности кристалла, на доменных стенках и дислокациях.

Появление пиков второй гармоники под разными углами в проводящих кристаллах ВаТЮз связано с разными значениями периодов микродоменной структуры, на которой происходит рассеяние света. Как отмечено выше, в проводящих кристаллах ВаТЮз положение максимума второй гармоники зависит от температуры. Смещение максимумов при увеличении температуры в сторону больших углов означает уменьшение периода стационарной микродоменной структуры. Уменьшение периода микродоменной структуры с ростом температуры, возможно, связано с увеличением проводимости. Вероятно, в таком состоянии энергетически выгодна более мелкая доменная структура.

Используя экспериментальные данные, полученные выше, можно определить направление вектора спонтанной поляризации в отдельном домене и оценить период микродоменной структуры, необходимой для обеспечения волнового синхронизма в кристаллах РЬТЮз и ВаТЮз. Для определения направления вектора спонтанной поляризации в отдельном

домене сегнетоэлектриков РЬТЮ3 и ВаТЮз исследовались различные ориентации кристаллов по отношению к направлению поляризации луча накачки и поляроида после кристалла. При этом за выход второй гармоники ответственны различные электрооптические коэффициенты df^0.

Зная угол рассеяния света второй гармоники в вакууме <ру (эксперимент по угловому распределению излучения второй гармоники) по формуле

д - 2л ^ эта-Л2й,1у Я эш^

рассчитывается период стационарной микродоменной структуры, на которой происходит рассеяние света второй гармоники. В этой формуле Л^ у -

длина волны в вакууме, соответствующая второй гармонике, <ру - угол рассеяния света второй гармоники в вакууме, а - угол между направлением вектора структуры и гранью кристалла. В таблицах 1 и 2 приведены численные значения вектора стационарной микродоменной структуры ди периода стационарной микродоменной структуры для проводящих кристаллов ВаТЮз и для кристаллов РЬТЮз.

Таблица 1. Численные значения <р„, Л^ и дз1 для проводящих

кристаллов ВаТЮ3.

Конфигурация Угол, фу Л5Г, мкм <7 .у/, МКМ 1

оо->е (¿31) 7° зд 2

ее^е (с/33) 7° зд 2

оо-*е (¿31) 15° 2 3,2

ее->е (с/33) 15° 1,9 3,3

Таблица 2. Численные значения фу, и д3{ для РЬТЮз.

Конфигурация Угол, (рч А51, мкм д5(, мкм 1

оо-»е (¿31) 9° 2,5 2,64

ее-»е (¿33) 9° 2,5 2,64

оо-+е (¿31) 11° 2,3 2,75

ее-»е (¿33) 11° 2,3 2,75

оо-»е (</31) 30° 1 6,24

ее-*е (</„) 30° 1 6,24

Получены результаты зависимости излучения второй оптической гармоники от интенсивности возбуждающей волны для центрального пика

излучения фч = 0° и для бокового пика = 11° в кристаллах РЬТЮз. Как

показали экспериментальные исследования для угла = 0° порог возбуждения волны второй гармоники превышает примерно в десять раз порог для угла фу, = 11°.

Для кристаллов РЬТЮз исследована зависимость углового распределения интенсивности второй оптической гармоники от интенсивности возбуждающей волны. С увеличением интенсивности волны накачки интенсивность пика второй гармоники под углом ~ 0° заметно возрастает,

а интенсивность пиков второй гармоники под углом ^ = 11° - уменьшается. Полуширина этих пиков практически не изменяется.

Наличие центрального максимума второй гармоники при угле

Фу, = 0° связано с механизмом автосинхронизации волн, предложенным Э.В.Бурсианом в [6, 7]. На расстояниях, определяемых разностью скоростей первой и второй гармоник, образуются максимумы интенсивности световой волны. Таким образом, если предположить, что коэффициент преломления за счет очень большой нелинейности кристалла зависит от величины электрического поля, в которое входит и поле второй гармоники (эффект четвертого порядка), в среде образуется слоистая структура, индуцированная мощной световой волной. Период этой индуцированной структуры оказывается точно таким, какой нужен для обеспечения квазисинхронизма. И, несмотря на отсутствие естественного волнового синхронизма в РЬТЮз, в этих кристаллах происходит перекачка энергии во вторую гармонику по мере распространения в кристалле волны накачки. Таким образом, рождающаяся волна второй гармоники сама создает в нелинейной среде рельеф, необходимый для ее распространения по кристаллу. Период наведенной структуры оказывается равным

2 к

~ , Яы = к2со ~ •

Яш

Для кристаллов РЬТЮз проведено исследование температурной зависимости интенсивности второй оптической гармоники. Прямой температурный ход (нагревание) и обратный (охлаждение) не совпадают. При нагревании кристаллов РЬТЮз в температурном интервале 100-200°С интенсивность второй гармоники резко уменьшается. В указанном температурном интервале в кристаллах РЬТЮз обнаружены аномалии диэлектрических свойств [2]. При нагревании кристаллов РЬТЮз наблюдается максимум диэлектрической проницаемости (^(г)), максимум пироэлектриче-

ского сигнала, скачкообразное изменение параметров элементарной ячейки (дс =-0.007^°,Дд = +0.003Л"). При охлаждении кристаллов PbTi03 эти аномалии отсутствуют. С аномалиями диэлектрических и других свойств и связано изменение площади микродоменных структур, что и приводит к резкому скачку интенсивности второй гармоники в температурном интервале 100-200°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследования состоят в следующем.

1. Экспериментально установлено, что в сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз существуют квазипериодические стационарные микродоменные структуры с тремя различными значениями периода структуры Л.5} и направлениями вектора структуры qst. Для углов рассеяния света

<pv =±11° qst лежит в кристаллографической плоскости (ill), период структуры при этом равен Ast =2,3 мкм. В случае, когда углы рассеяния света <pv=±9°, qst совпадаете кристаллографическим направлением [lOl], Ast =2,5 мкм. Для случая, когда угол рассеяния света pv=+30°, qst составляет угол 80° с кристаллографической плоскостью (ill), Л5/=1 мкм.

2. Экспериментально исследовано поведение второй оптической гармоники в кристаллах РЬТЮз в зависимости от температуры. Оказалось, что в РЪТЮэ после длительного хранения (несколько месяцев) при первом нагревании в температурном интервале 100 -200°С интенсивность второй оптической гармоники уменьшается примерно в четыре раза. Это свидетельствует о том, что площадь микродоменной структуры, ответственной за генерацию второй гармоники, имеет тенденцию к увеличению в течение длительного хранения, что проявляется в существенной разнице прямого и обратного температурного хода интенсивности второй гармоники. Повторный нагрев кристалла уже не обнаруживает этой аномалии.

3. Экспериментально показано, что в проводящих сегнетоэлектрических кристаллах BaTi03 период микродоменной структуры зависит от температуры. С ростом температуры этот период уменьшается от 3,1 мкм до 1,9 мкм, что проявляется в смещении максимума излучения второй гармоники в сторону увеличения угла.

4. Для объяснения полученных результатов предложена модель, согласно которой направление вектора структуры qst приближается к какому-либо кристаллографическому направлению или к кристаллографической плоскости. Период структуры, необходимой для обеспечения волнового синхронизма в кристаллах PbTi03 и ВаТЮз, составляет Ast= 1-3 мкм. Конкретное значение периода структуры Asi зависит от

того, вдоль какого кристаллографического направления или кристаллографической плоскости направлен вектор стационарной микродоменной

структуры qst.

Цитируемая литература

1. Бурсиан Э.В., Залесский В.Г. Структуры, обеспечивающие квазисинхронизм при генерации второй гармоники в BaTi03:Fe //ФТТ, 6, 1999.

— Том 41. — С.1076-1079.

2. Баранова Л.А., Гавриляченко В.Г., Цихоцкий Е.С., Фесенко Е.Г., Куприянов М.Ф. Аномалии диэлектрических свойств титаната свинца, обусловленные точечными дефектами //Изв. АН СССР, сер. неорганические материалы, 9, 1979.-Том 15.-С.1612-1614.

3. Бурсиан Э.В. Нелинейный кристалл титанат бария. - М.: Наука, 1974.

4. Гагарина Е.С., Экнадиосянц Е.И., Резниченко Л.А., Шилкина Л.А., Раевский И.П., Сахненко В.П., Смотраков В.Г., Еремкин В.В. Доменная структура кристаллов Nai-xLixNb03 //Кристаллография, 6, 2002. -Том 47.-С. 1048-1059.

5. Фесенко Е.Г., Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф. Доменная структура многоосных сегнетоэлектрических кристаллов. - Ростов-на-Дону: Издательство ростовского университета, 1990.

6. Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В. Автосинхронизация волн при генерации второй гармоники в сегнетоэлектрике //Изв. АН, сер. физ., 6, 2000.

- Том 64.-С.1129-1131.

7. Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В. Динамика установления автосинхронизации при генерации второй гармоники в ВаТЮз //ФТТ, 1, 2001. - Том 43. - С.108-110.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Шебунина A.B. К исследованию доменной структуры в сегнетоэлектриках методом генерации второй оптической гармоники //Изв. АН. Сер. физ., 8, 2003. — Том 67. — С.1198-1200. - 0,19/0,06 п.л.

2. Шебунина A.B., Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности генерации второй оптической гармоники в сегнетоэлектриках РЬТЮ3 и ВаТЮ3 //Материалы Международной научно-практической школы-конференции «Пьезотехника-2003», М., 26-29 ноября, 2003. -С.36-39.-0,25/0,06 п.л.

3. Бурсиан Э.В., Шебунина A.B., Рычгорский В.В. Влияние температуры на угловое распределение второй гармоники в проводящих кристаллах ВаТЮз //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков», СПб., 23-27 мая, 2004. - С.69. - 0,06/0,02 п.л.

4. Бурсиан Э.В., Шебунина A.B., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности углового распределения второй оптической гармоники и доменной структуры в РЬТЮз //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков», СПб., 23-27 мая, 2004. - С.252-254. -0,19/0,05 п.л.

5. Шебунина A.B., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Угловое распределение

интенсивности второй гармоники в кристаллах титаната свинца //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.78-79. -0,13/0,04 п.л.

6. Шебунина A.B., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Зависимость излучения второй гармоники в кристаллах титаната свинца от интенсивности возбуждающей волны //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.79-81. - 0,19/0,06 п.л.

Работы 1-4 написаны в соавторстве с Бурсианом Э.В. (постановка задачи, обсуждение результатов, общее руководство), работы 1-6 - с Рыч-горским В.В. (обсуждение результатов, изготовление и наладка обслуживающей установку электроники, общее руководство), работы 2, 4, 5 6 — с Масловым В.В. (обсуждение результатов). Автором полностью выполнена экспериментальная часть работы.

Подписано в печать 23.06.2006 Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная Объем 1,125 уч. изд. л. Тираж 100 экз.

Заказ

Санкт-Петербург, ООО «АБЕВЕГА», Московский пр., д.2/6 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №69-299

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Шебунина, Анна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА.

1.1. Доменная структура сегнетоэлектрических кристаллов.

1.2. Генерация второй гармоники в нелинейных кристаллах.

1.3. Особенности нелинейнооптических свойств сегнетоэлектрических кристаллов РЬТЮ3.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Аппаратное обеспечение экспериментов по генерации второй гармоники.

2.1.1. Требования к экспериментальной установке.

2.1.2. Устройство, доработка и настройка лазера на алюмоиттриевом гранате.

2.1.3. Общая схема экспериментальной установки.

2.1.4. Образцы кристаллов.

2.2. Методика измерения углового распределения интенсивности второй оптической гармоники.

2.3. Методика измерения температурных зависимостей интенсивности второй оптической гармоники.

Глава 3. МИКРОДОМЕННАЯ СТРУКТУРА

В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ PbTi03 И В ПРОВОДЯЩИХ КРИСТАЛЛАХ BaTi03.

3.1. Геометрия экспериментов по исследованию второй гармоники.

3.2. Угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTi03.

3.3. Угловое распределение интенсивности второй оптической гармоники в проводящих сегнетоэлектрических кристаллах ВаТЮ3.

3.4. Расчет параметров микродоменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах.

3.3.1. Расчет численных значений вектора qst и периода Ast стационарных микродоменных структур для сегнетоэлектрических кристаллов PbTi03.

3.3.2. Расчет численных значений вектора стационарной микродоменной структуры qst и периода стационарной микродоменной структуры Ast для проводящих сегнетоэлектрических кристаллов ВаТЮ3. Ю

3.5. Определение направления вектора спонтанной поляризации в отдельном домене в сегнетоэлектрических кристаллах

РЬТЮз и ВаТЮз.

3.6. Зависимость излучения второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах РЬТЮз и BaTi от интенсивности волны накачки.

3.7. Температурная зависимость интенсивности второй оптической гармоники в кристаллах PbTi03.

Введение диссертация по физике, на тему "Микродоменная структура и генерация второй оптической гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах PbTiO3 и в проводящих кристаллах BaTiO3"

После того, как были созданы принципиально новые мощные источники когерентного светового излучения - лазеры, начала бурно развиваться нелинейная оптика. Генерация второй гармоники в сегнетоэлектриках оказалась удобным инструментом для изучения доменной структуры и других эффектов в сегнетоэлектрических кристаллах. В лазерном пучке напряженность электрического поля световой волны

7 R достигает 10 - 10 —, для сравнения напряженность внутриатомного поля см

- 109—. При такой напряженности отчетливо проявляются см нелинейнооптические эффекты в различных средах.

Обнаружению и исследованию нелинейнооптических эффектов, таких как электрооптический эффект, генерация суммарных и разностных частот, генерация второй гармоники посвящено достаточно много работ. В настоящей диссертации показано, что с помощью генерации второй оптической гармоники можно обнаружить микродоменную структуру, период которой соизмерим с длиной волны света в сегнетоэлектрических кристаллах PbTi03 и BaTi03.

В настоящее время известно достаточно много методов исследования доменной структуры. К их числу относятся: поляризационный метод, оптическое вращение, метод заряженных порошков, сравнение фигур травления, электронная микроскопия и т.д. Выбор того или иного метода зависит от материала, геометрии кристалла, а также от необходимости определения поляризации доменов. Метод генерации второй оптической гармоники открыл дополнительные возможности для изучения доменной структуры сегнетоэлектриков. Наблюдение генерации второй гармоники в отдельном домене, при знании элементов тензора d^ для кристаллов данной симметрии, дает возможность по интенсивности и поляризации получаемого излучения определять направление вектора спонтанной поляризации Ps. Наблюдение максимумов излучения второй гармоники под определенными углами по отношению к лучу накачки дает возможности изучить микродоменную структуру кристаллов.

Актуальность исследования. В последнее время наблюдается возрастание интереса к сегнетоэлектрикам в связи с использованием их в технических устройствах: управления световыми лучами (модуляции, демодуляции), в лазерных устройствах, компьютерной памяти. Сегнетоэлектрики используются в качестве плавающего затвора в полевом транзисторе, что привело к появлению термина "сегнетоэлектрический транзистор". Функционирование этих устройств требует понимания процессов переключения сегнетоэлектрика, а эти процессы непосредственно связаны с доменными и микродоменными структурами. Под термином "микродоменные структуры сегнетоэлектриков" подразумеваются мелкие доменные структуры с периодами, соизмеримыми с длиной волны света, обладающие выраженной периодичностью. Причины появления таких структур могут сильно отличаться от причин, приводящих к появлению доменов больших размеров. Изучение различных микродоменных структур является, таким образом, актуальным для создания технических устройств современной микроэлектроники.

Существует много методов исследования доменных структур сегнетоэлектриков. К их числу относятся: метод травления, метод заряженных порошков, оптический метод и т. д. С помощью перечисленных методов можно изучать макродоменные структуры сегнетоэлектрических кристаллов. Это домены с размерами в десятки, сотни и более микрон. Применение метода генерации второй оптической гармоники открыло некоторые дополнительные возможности в изучении микродоменных структур сегнетоэлектриков. Наблюдение генерации второй оптической гармоники дает информацию о микродоменных структурах кристаллов, которую трудно получить с помощью непосредственного наблюдения, так как периоды этих структур близки к пределу возможностей оптических методов.

Объект исследования. В настоящей работе объектами исследования являются сегнетоэлектрические кристаллы PbTi03 и проводящие кристаллы ВаТЮ3. Выбор соответствующих кристаллов объясняется тем, что эти материалы еще не исследовались методом второй оптической гармоники. Кристаллы РЬТЮз, также как и кристаллы BaTi03 не обладают естественным синхронизмом, но одинаковость точечных и пространственных классов симметрии позволяет предположить существование микродоменных структур, а, следовательно, возможность генерации второй гармоники.

Титанат бария и титанат свинца являются одними из наиболее изученных сегнетоэлектрических материалов. Эти кристаллы принадлежат к одному классу симметрии: 4mm - точечная группа симметрии, P4mm -пространственная. Для кристаллов ВаТЮз и PbTi03 изучены нелинейно-оптические свойства, температурные зависимости двулучепреломления, диэлектрической проницаемости, удельной теплоемкости, спонтанной поляризации. Подробно изучена доменная структура этих сегнетоэлектриков [1, 2, 4-9, 15, 21, 23, 93]. Показано, что наряду со 180-градусными доменными стенками существуют и 90-градусные стенки. Для непроводящих кристаллов ВаТЮ3 известны диаграмма направленности углового распределения интенсивности второй оптической гармоники и период микродоменной структуры, на которой происходит рассеяние света [60]. Период этой структуры составляет примерно 3 мкм.

Научная новизна. Исследованию генерации второй гармоники в сегнетоэлектрических кристаллах посвящен ряд работ [23, 52, 53, 59-63, 66-72]. В работе [60] получены результаты по генерации второй гармоники в непроводящих кристаллах BaTi03.

В отличие от большинства работ, посвященных изучению доменного строения и генерации второй оптической гармоники в непроводящих кристаллах ВаТЮ3, в настоящей диссертации исследовались методом генерации второй оптической гармоники сегнетоэлектрические кристаллы РЬТЮз и проводящие кристаллы ВаТЮ3. На основе экспериментальных результатов установлено, что в кристаллах РЬТЮ3 и в проводящих кристаллах ВаТЮ3 существуют микродоменные структуры с различными значениями периодов, причем в проводящих кристаллах ВаТЮ3 некоторые значения периодов зависят от температуры.

Построена модель, описывающая микродоменную структуру соответствующих сегнетоэлектриков. Исходя из углового распределения интенсивности второй оптической гармоники, рассчитаны периоды и ориентации микродоменных структур в титанате свинца и в проводящих кристаллах титаната бария, обеспечивающих появление второй гармоники.

В работе [89] обнаружены аномалии диэлектрических свойств PbTi03 в температурном интервале 100-200°С. В данной работе экспериментально показано, что в указанном температурном интервале существуют и аномалии в генерации второй оптической гармоники в кристаллах титаната свинца.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Основные положения, выносимые на защиту, раскрыты в следующих публикациях:

1. Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Шебунина А.В. К исследованию доменной структуры в сегнетоэлектриках методом генерации второй оптической гармоники. //Изв. АН. Сер. физ., 8, 2003. - Том 67. -С.1198-1200.-0,19/0,06 п.л.

2. Шебунина А.В., Бурсиан Э.В., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности генерации второй оптической гармоники в сегнетоэлектриках РЬТЮ3 и ВаТЮ3. //Материалы Международной научно-практической школы-конференции «Пьезотехника-2003». М., 26-29 ноября, 2003. - С.36-39. - 0,25/0,06 п.л.

3. Бурсиан Э.В., Шебунина А.В., Рычгорский В.В. Влияние температуры на угловое распределение второй гармоники в проводящих кристаллах ВаТЮ3. //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков». СПб., 23-27 мая, 2004. - С.69. - 0,06/0,02 п.л.

5. Бурсиан Э.В., Шебунина А.В., Рычгорский В.В., Маслов В.В. Особенности углового распределения второй оптической гармоники и доменной структуры в PbTi03. //Материалы X Международной конференции «Физика диэлектриков». СПб., 23-27 мая, 2004. - С.252-254. -0,19/0,05 п.л.

5. Шебунина А.В., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Угловое распределение интенсивности второй гармоники в кристаллах титаната свинца. //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов». СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.78-79. -0,13/0,04 п.л.

6. Шебунина А.В., Маслов В.В., Рычгорский В.В. Зависимость излучения второй гармоники в кристаллах титаната свинца от интенсивности возбуждающей волны //Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», СПб., 4-6 февраля, 2002. - С.79-81. - 0,19/0,06 п.л.

Статьи 1-4 написаны в соавторстве с Э.В.Бурсианом (постановка задачи, обсуждение результатов, общее руководство), статьи 1 - 6 - с В.В.Рычгорским (обсуждение результатов, изготовление и наладка обслуживающей установку электроники, общее руководство), статьи 2, 4, 5, 6 - с В.В.Масловым (обсуждение результатов). Автором полностью выполнена экспериментальная часть работы.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты исследования состоят в следующем.

-- 1. Экспериментально установлено, что в сегнетоэлектрических кристаллах

РЬТЮз существуют квазипериодические стационарные микродоменные структуры с тремя различными значениями периода структуры Ast и направлениями вектора структуры qst. Для углов рассеяния света

11° qsl лежит в кристаллографической плоскости (ill), период структуры при этом равен Ast =2,3 мкм. В случае, когда углы рассеяния света (pv = ±9°, qst совпадает с кристаллографическим направлением l Ol], Ast =2,5 мкм. Для случая, когда угол рассеяния света (pv = +30°, qst составляет угол 80° с кристаллографической плоскостью (ill), мкм.

2. Экспериментально исследовано поведение второй оптической гармоники в кристаллах РЬТЮз в зависимости от температуры. Оказалось, что в РЬТЮз после длительного хранения (несколько месяцев) при первом нагревании в температурном интервале 100-200°С интенсивность второй оптической гармоники уменьшается примерно в четыре раза. Это свидетельствует о том, что площадь микродоменной структуры, ответственной за генерацию второй гармоники, имеет тенденцию к увеличению в течение длительного хранения, что проявляется в существенной разнице прямого и обратного температурного хода интенсивности второй гармоники. Повторный нагрев кристалла уже не обнаруживает этой аномалии.

3. Экспериментально показано, что в проводящих сегнетоэлектрических ^ кристаллах ВаТЮ3 период микродоменной структуры зависит от температуры. С ростом температуры этот период уменьшается от 3,1 мкм до 1,9 мкм, что проявляется в смещении максимума излучения второй гармоники в сторону увеличения угла. 4. Для объяснения полученных результатов предложена модель, согласно которой направление вектора структуры qsl приближается к какому-либо кристаллографическому направлению или к кристаллографической плоскости. Период структуры, необходимой для обеспечения волнового синхронизма в кристаллах РЬТЮз и ВаТЮ3, составляет Ast =1-3 мкм. Конкретное значение периода структуры Ast зависит от того, вдоль какого кристаллографического направления или кристаллографической плоскости направлен вектор стационарной микродоменной структуры qst.

Полученные результаты докладывались на XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 2002), на Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург, 2002), на Международной научно-практической конференции «Пьезотехника-2003» (Москва, 2003), на X Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2004) и на семинарах кафедры физической электроники РГПУ имени А.И.Герцена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шебунина, Анна Владимировна, Санкт-Петербург

1. Merz W.J. Ferroelectric domains of a barium titanate single crystals. //J. Appl. Phys, 10, 1954. - Vol. 25. - P. 1946.

2. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы. М.: Мир, 1965.

3. Fejer М.М., Magel G.A., Jundt D.H., Byer R.L. Qoasi-phase-matched second harmonic generation: tuning and tolerances. //IEEE Journ. of Quantum Electronics, 1992. Vol. 28. - P. 2631 -2654.

4. Фесенко Е.Г., Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф. Доменная структура многоосных сегнетоэлектрических кристаллов. Ростов-на-Дону: Издательство ростовского университета, 1990.

5. Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф., Фесенко Е.Г. Экранирование спонтанной поляризации в кристаллах титаната свинца. //ФТТ, 4, 1996. -Том 38.-С. 1076-1080.

6. Экнадиосянц Е.И., Бородин В.З., Пинская А.Н., Еремкин В.В., Смотраков В.Г. 90-градусное двойникование в некоторых кристаллах семейства перовскита. //Кристаллография, 6, 1997. Том 42. -С. 1105-1108.

7. Masaaki Takashige, Sinlchi Hamazaki, Naoko Tashiro, Fuminao Shimizu and Min Su Jang. Atomic force microscope observation of 90° domain structure in the crystallized grains from amorphous PbTi03. //Jap. J. Appl. Phys., 9B, 1998.-Vol. 37.-C. 5397-5399.

8. Chen-Chia Chou and Cheng-Sao Chen. Banded structure and domain arrangements in PbTi03 single crystals. //Jap. J. Appl. Phys., 9B, 1998. -Vol. 37.-C. 5394-5396.

9. Fesenko E.G., Martynenko M.A., Gavrilyatchenko V.G. and Semenchev A.F. Phase transition and switching in lead titanate crystals. //Ferroelectrics, 1974.-Vol. 7.-P. 309-310.

10. Fesenko E.G., Semenchev A.F. and Gavrilyatchenko V.G. The switching of PbTi03 crystals. //Ferroelectrics, 1-4, 1976. Vol. 13. - P. 471-473.

11. Yufatova S.M., Sindeyev Tu.G., Gavrilyatchenko V.G., Fesenko E.G. Different kinetic types of phase transformation in lead titanate. //Ferrotlectics, 1-4, 1980.-Vol. 26.-P. 809-812.

12. Lehnen P., Dec J., Kleemann W. Ferroelectric domain structures of PbTi03 studied by scanning force microscopy. //J. Phys. D., 15, 2000. Vol. 33. -P. 1932-1936.

13. Meyer В., Vanderbilt David. Initio study of ferroelectric domain walls in PbTi03.//Phys. Rev. B, 10, 2002.-Vol. 65.-P. 104111/1-104111/11.

14. Фесенко Е.Г., Гавриляченко В.Г., Спинко Р.И. Выращивание кристаллов титаната свинца и исследование их доменного строения. //Кристаллография, 1972.-Том 17.-С. 153-157.

15. Lu C.J., Shen Н.М., Zhu Y.P., Ren S.B, Wang Y.N. X-ray diffraction study on the grain-size-dependences of orientation and 90°-domain structure in oriented PbTi03 thin films on (111) Pt. //Materials Letters, 1997. Vol. 31. -P. 189-193.

16. Moarthy Ganesa S., Balakumar S., Subramanian C., Ramasamy P. Ferroelectric domain structure studies on PbTi03 single crystals by polarizing microscope, electron microscope and atomic force microscope. //Ferroelectrics, 1-4, 1999. Vol. 231. - P. 49-54.

17. Семенчев А.Ф., Гавриляченко В.Г., Фесенко Е.Г. Влияние освещения на процесс 180-градусной переполяризации монокристаллов PbTi03. //ФТТ, 2, 1993.-Том 35.-С. 370-375.

18. Экнадиосянц Е.И., Пилская А.Н., Бородин В.З. Доменная структура сегнетомягких керамик на основе цирконата-титаната свинца. //Кристаллография, 3, 1999. Том 44. - С. 502-507.

19. Гавриляченко В.Г., Семенчев А.Ф., Фесенко Е.Г. Формирование 180°-доменной структуры в кристаллах титаната бария при фазовом переходе.//ФТТ, 10, 1986.-Том 12. С. 3126-3131.

20. Borodina V.A. Formation of a periodic domain structure in a-domain ВаТЮз crystals under the influence of an electric field. //Ferroelectrics, 1990. -Vol. 111.-P. 277-281.

21. Liao J., Vang Y., Hui S.X., Luo H.S., Vin Q.R. Observation of domain movement on BaTi03 crystals under applied electric filed by scanning electron acoustic microscope. //Ferroelectrics, 1-4, 1999. Vol. 231. - P. 55-60.

22. Uesu Y., Kirimura S., Yamamoto Y. Optical second harmonic images of 90° domain structure in ВаТЮз and periodically inverted antiparallel domain in LiTa03. //Appl. Phys. Lett., 17, 1995. Vol. 66. - C. 2165-2167.

23. Большакова H.H., Рудяк B.M., Черешнева H.H. Процессы перестройки доменной структуры в кристаллах группы титаната бария, вызванные изменением температуры. //Кристаллография, 6, 1997. Том 42. -С. 1096-1100.

24. Гагарина Е.С., Экнадиосянц Е.И., Резниченко Л.А., Шилкина Л.А., Раевский И.П., Сахненко В.П., Смотраков В.Г., Еремкин В.В. Доменная структура кристаллов Na1.xLixNb03. //Кристаллография, 6, 2002. -Том. 47.-С. 1048-1059.

25. Bacheimer J.P., Dolino С., Lajzerowicz J., Vallade M. A new method for domain observation in TGS with second-harmonic light. //Ferroelectrics, 1974.-Vol. 7.-P. 331-332.

26. Dolino G. Direct observation of ferroelectric domaina in TGS with second-harmonic light. //Appl. Phys. Lett., 4, 1973. Vol. 22. - P. 123-124.

27. Loiacono G.M. and Stolzenberger R.A. Observation of complex domain walls KTi0P04. //Appl. Phys. Lett., 16, 1988. Vol. 53. - P. 1498-1499.

28. Dougherty J.P., Sawaguchi E. and Cross L.E. Ferroelectric optical rotation domains in single-crystal Pb5Ge30ii. //Appl. Phys. Lett., 4, 1972. Vol. 20. -P. 364-365.

29. Кирпичникова Л.Ф., Поломская М., Счесниак Л., Хильчер Б. Доменная структура кристаллов Cs3H(Se04)2. //Кристаллография, 5, 2003. -Том 48.-С. 879-883.

30. Евланова Н.Ф., Наумова И.И., Чаплина Т.О., Лаврищев С.В., Блохин С.А. Периодическая доменная структура в кристаллах LiNb03:Y, выращиваемых методом Чохральского. //ФТТ, 9, 2000. Том 42. -С. 1678-1681.

31. Zhand Lei, Kleemann Wolfgang, Wang Ruiping, Itoh Mitsuru. Second harmonic study of polar symmetry and domain structure in SrTi,803. //Appl. Phys. Lett., 16, 2002. Vol. 81. - P. 3022-3024.

32. Fiebig M., Frohlich D., Lottermoser Th., Maat M. Probing of ferroelectric surface and bulk domains in RMn03 (R=Y, Ho) by second harmonic generation. //Phys. Rev. B, 14. 2002. Vol. 66. - P. 144102/1-144102/5.

33. Iwata Manoto, Araki Takashi, Moeda Masaki, Suzuki Ikno, Ohwa Midehiro, Yasuda Naohino, Orihara Hiroshi, Ishibashi Yoshihiro. Domain observation in Pb(Zni/3Nb2/3)03 PbTi03 mixed crystals. //Jap. J. Appl. Phys. Ptl., 1 IB, 2002.-Vol. 41.-C. 7003-7006.

34. Кирпичникова Л.Ф. Доменная структура сегнетоэластиков. //Кристаллография, 6, 2003. Том 48. - С. 103-113.

35. Непочатенко В.А. Прослойка согласования кристаллических решеток в доменных стенках сегнетоэлектрика ортофосфата свинца. //Кристаллография, 2, 2003. Том 48. - С. 324-328.

36. Рандошкин В.В., Полежаев В.А., Сажин Ю.Н., Сысоев P.P. Особенности динамики доменов в монокристаллических пленках (Bi,Y,Lu,Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210). //ФТТ, 7, 2003. Том 45. -С. 1213-1220.39