Глава 3

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ

ИНДУЦИРОВАННЫХ ДОМЕНОВ И ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР

3.1. Индуцированные домены в сегнетоэлектриках

Процессы образования доменов в сегнетоэлектриках были наиболее полно изучены с помогцью приложения импульсных электрических полей, превыгааюгцих по амплитуде коэрцитивные поля Ее. Наблюдение за процессами переполяризации осугцествлялось как по временным зависимостям коэрцитивных нолей, токов нереполяризации [69-71], так и непосредственно с помогцью сканируюгцих туннельного и атомно-силового микроскопов [43]. Было обнаружено, что процессы инверсии первоначального доменного состояния под действием внеганего поля Е, обратного нолю спонтанной поляризации, имеют многоступенчатый характер. Вначале домены в виде острых игл наноразмеров образуются вблизи электродов, а затем начинается их выстраивание но всему объему, до-стигаюгцее в результате боковых поверхностей кристалла. Одновременно происходит процесс коалесцепции доменов, которые впоследствии достигают размеров микрометров. В зависимости от длительности и интенсивности импульсов электрического поля наблюдалось как возникновение отдельных доменов нано- и микроразмеров, так и образование различных типов квазипериодических структур. Так, в пиобате лития формировались полосовые домепы с гаирипой менее 100 нм и цепи круглых и треугольных доменов диаметром 30-50 нм с линейной плотностью до 10 мм~.

Характер образования первичных зародыгаей также определяется структурой металлических электродов. При использовании однородных электродов, нанесенных на противоположные поверхности, перпендикулярные оси поляризации, инвертированные домены вначале хаотично образуются вблизи поверхности, а затем распространяются вглубь в форме игл или треугольников. Для структуры периодических электродов первичные домены в виде острых клиньев образуются на полярной поверхности (0001) вдоль краев электродов (рис. 3.1а) [43]. Затем происходит прорастание новых доменов в полярном и боковых

Рис. 3.1. Процесс формирования периодической доменной структуры в се-гнетоэлектрике при приложении электрического поля

Отражением процессов доменообразования в электрическом поле является временное изменение значений ноля, необходимого для переноляризации. Как следует из экспериментальных данных [69-71], после выполнения условия Е Ее происходит изменение направления спонтанной поляризации с одновременным возникновением внутреннего поля. Это поле образуется полем деполяризации £ер и полем объемных зарядов Е. Деполяризующее поле в сегнетоэлектриках обусловлено присутствием

направлениях (рис. 3.1 б), пока они не займут всю площадь под электродами (рис. 3.1 в); на этой стадии домены имеют размеры, определяемые площадью электродов. На последнем этапе плоские доменные границы сформировавгаихся макродоменов смещаются за пределы электродов (рис. 3.1 г). Процесс бокового смещения прекращается вследствие уменьгаепия локального поляризующего ноля за пределами электродов.

3.1] Индуцированные домены в сегнетоэлектриках 59

приповерхностных зарядов и замедляет рост доменов:

£dep = (3.1)

где Ld и L - соответственно дебаевская длина и длина кристалла.

Возникновение поля объемных зарядов Ed связано с несколькими динамическими процессами. Во-первых, с прострапствен-ным перемегцением вдоль оси поляризации ионов, образуюгцих кристаллическую регаетку в переноляризуюгцем ноле (рис. 3.1). Во-вторых, с перераспределением свободных носителей заряда и их возможным захватом структурными или примесными центрами. В-третьих, с пространственным перераспределением примесных ионов группы железа, практически всегда присут-ствуюгцих в кристаллах оксидных сегнетоэлектриков. Низкая подвижность ионов и электронов в сегнетоэлектриках с низкой проводимостью определяет достаточно длинное время релаксации ноля Ed- Для оксидных сегнетоэлектриков время релаксации поля Ed варьируется от единиц до тысяч секунд.

Ноле Ed в значительной степени компенсирует коэрцитивное ноле. Таким образом, возникновение микродоменов происходит под действием суммарного локального электрического ноля

E{r,,t)=E+{Ed-Ea,), (3.2)

где г - локальная координата.

Качественно процесс переполяризации можно описать сле-дуюгцим уравнением

E = Ec-Edexp(-y (3.3)

Частичная компенсация коэрцитивного ноля позволяет сделать практический вывод о возможности управления домено-образованием с помогцью малых впеганих электрических полей в период сугцествовапия сильного внутреннего поля.

Наиболее сложным и пока не полностью разрегаенным является вопрос о том, какие центры являются зародыгаами доменов. Для кристаллов, содержагцих примесные ионы, наиболее вероятно образование зародыгаей вблизи примесных ионов, сильно связанных с регаеточным окружением и обладаюгцих собственными градиентами электрических нолей, направленных навстречу полю спонтанной поляризации. К таким ионам относятся Fe+, Мп+, Сг+, Сг+ и ряд других ионов группы