Технология материалов и изделий электронной техники. Выращивание монокристаллов из расплавов. Лабораторный практикум

4.5.Обработка результатов эксперимента

1.Построить график изменения температуры кристалла в процессе проведения процесса монодоменизации.

2.Построить график изменения плотности тока, протекающего через кристалл при постоянном внешнем электрическом поле во время монодоменизации.

3.Оценить степень монодоменности на основании данных серии измерений знака заряда на полярных гранях кристалла пьезотестером (не менее 20 измерений на каждой грани).

4.6. Отчет по работе

Отчет должен содержать следующие материалы.

1.Описание установки для монодоменизации кристаллов сегнетоэлектриков с указанием технических параметров основных узлов.

2.Технологическую схему и режимы процесса монодомени-

зации.

3.Графики изменения температуры и плотности тока при термоэлектрической обработке кристалла.

4.Описание характера доменной структуры разных граней после травления и наблюдения в микроскоп.

5.Выводы о правильности выбора режимов монодоменизации и полноте прохождения этого процесса по результатам исследований рассеяния луча лазера в объеме кристалла и измерений знака зарядов пьезотестером.

4.7.Контрольные вопросы

1.Как изменяются свойства кристалла ТЛ при нагреве выше температуры фазового перехода?

2.Что такое температура Кюри?

3.Зависит ли температура фазового перехода ТЛ от состава кристалла?

4.Для чего необходима монодоменизация кристаллов ТЛ после их выращивания?

5.Какова связь между составом кристаллов и режимами процесса монодоменизации?

6.Каким требованиям должен отвечать электрод на полярных гранях кристалла при монодоменизации?

41

7.От чего зависит скорость нагрева и охлаждения кристалла

впроцессе монодоменизации?

8.Чем определяется разная скорость травления полярных граней кристалла после монодоменизации?

9.Почему происходит рассеяние луча гелий-неонового лазера

вобъеме кристалла после его монодоменизации?

10.Как проводится контроль степени объемной монодоменности кристалла?

11.Для чего нужна выдержка кристалла под действием внешнего электрического поля при охлаждении?

4.8.Библиографический список

1.Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. М.: Радио и связь, 1989. С. 62 – 73, 94 – 110.

2.Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1981. С. 107 – 120, 301 – 311.

3.Акустические кристаллы: Справочник / Под ред. М.П. Шас-

кольской М.: Наука, 1982. С. 452 – 460.

4.Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития. М.: Наука, 1975.

С. 45 – 57, 66 – 68.

42

Лабораторная работа 5

ФОРМИРОВАНИЕ РЕГУЛЯРНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

(4 часа)

5.1. Цель работы

Ознакомление с методом получения регулярных доменных структур в кристаллах ниобата лития и с приемами визуализации реальной формы границ доменов.

5.2. Теоретическое введение

Кристаллы ниобата лития LiNbO3 являются сегнетоэлектриками со структурным, типа ионного смещения, фазовым переходом из параэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Это смещение катионов Li+ и Nb5+ происходит относительно слоев ионов кислорода О2– в элементарной гексагональной ячейке. Направление смещения задают электрический дипольный момент и положительное направ-

ление вектора спонтанной поляризации Ps . В соответствии с симметрией точечной группы НЛ в сегнетофазе 3m, направление Ps воз-

можно только вдоль оси третьего порядка, имеющей кристаллографическое направление [0001].

При охлаждении кристалла после роста из расплава от температуры фазового перехода (температуры Кюри ) отдельные области кристалла поляризуются в различных направлениях и при комнатной температуре он разбивается на сегнетоэлектрические домены, которые имеют два возможных противоположных направления поляризации вдоль оси [0001].

Особенностью такого полидоменного кристалла является наличие в нем доменных границ, разделяющих макроскопические области кристалла с различным направлением вектора спонтанной поляризации. Поверхность доменных границ может быть плоской или иметь более сложную форму, которая, в значительной мере, определяется реальной структурой кристалла и термодинамическими усло-

43

виями при переходе в полярную фазу (сегнетофазу). В монодоменных кристалла таких границ нет, поскольку он однородно поляризован.

Установлено, что полидоменный кристалл НЛ эффективно монодоменизируется путем приложения внешнего постоянного электрического поля вдоль направления поляризации. При этом происходит переполяризация части доменов полидоменного кристалла и об-

разуется один домен с Ps , соответствующим знаку поля.

В процессе поляризации кристалла НЛ слой атомов лития перемещается из одного слоя атомов кислорода в соседний, меняя тем самым направление ориентации вектора спонтанной поляризации в домене на противоположное. Такой процесс может идти только при температуре фазового перехода, которая в кристаллах НЛ близка к температуре их плавления 1253 С и зависит от состава. При более низких температурах положение атомов лития фиксируется, резко возрастает величина коэрцитивного электрического поля, необходимого для переполяризации, которая при комнатных температурах может превосходить пробойные напряжения для НЛ, вследствие разрушение материала наступает прежде переполяризации. При температурах, достаточно близких к ТK, величина коэрцитивного поля, необходимая для переполяризации, становится сколь угодно малой. При этом, с точки зрения симметрии кристалла, доменные границы

могут иметь любую ориентацию относительно направления Ps .

Следовательно, используя внешние электрические воздействия на кристалл вблизи фазового перехода, можно изменять параметры доменной структуры, а, применяя периодические по времени и знаку поляризации поля, возможно формирование структуры с за-

данным размером доменов, т.е. регулярные доменные структуры

(РДС) с пространственной модуляцией физических свойств соседних доменов, описываемых тензорами нечетного ранга. Это относится прежде всего к коэффициентам, описывающим электрооптические, пьезоэлектрические и нелинейные свойства, которые меняют свой знак на границах доменов.

Образование РДС обуславливается протеканием физических процессов двух типов:

1 – поляризацией определенной ориентации Ps в процессе

фазового перехода под действием электрического поля или градиента температуры;

44

2 – переполяризацией доменов в сегнетоэлектрической фазе при приложении внешнего электрического поля, большего по величине, чем коэрцитивное.

Существует несколько способов получения РДС в кристаллах НЛ. Условия, необходимые для формирования РДС, могут быть созданы как в процессе роста кристалла, так и во время послеростовой термоэлектрической обработки. В первом случае форма и ориентация доменных границ определяются формой и ориентацией фронта кристаллизации, а размер доменов – параметрами процесса роста, скоростями вытягивания и вращения. Во втором случае, при термоэлектрической обработке, однородный по своим физическим свойствам монодоменный кристалл движется через температурную зону в печи, нагретой до ТK, в которой создан градиент температур, при одновременном воздействии на кристалл знакопеременного электрического поля.

Суть метода получения регулярной доменной структуры состоит в том, что кристалл НЛ движется с постоянной скоростью в поле температур, из зоны с температурой фазового перехода ТK в зону с более низкой температурой. Темп охлаждения задается температурным градиентом в печи и скоростью протягивания кристалла. Приложенное при этом к кристаллу внешнее электрическое поле

приводит к переполяризации в той области кристалла, где Т ТK. Направление Ps определяется ориентацией внешних векторных воз-

действий – электрического поля Е и градиента температуры grad T – относительно полярной оси кристалла, а размер доменов задается временем действия поля одной полярности и скорости вытягивания.

Схема проведения процесса получения регулярной доменной структуры показана на рис. 5.1.

Для характеристики положения вектора спонтанной поляри-

зации Ps вводится вектор пространственной периодичности , оп-

ределяющий положение доменной границы относительно направления вектора спонтанной поляризации Ps :

= n/2d,

где n – нормаль к поверхности доменной границы;

d – ширина домена (расстояние между доменными границами соседних доменов разного знака).

45

и новая граница фиксируется на расстоянии D от ранее сформированной границы,

D = Vt,

где D –размер или период доменов;

V – скорость движения кристалла в печи;

t – время действия электрического поля разной полярности.

Периодическое переключение внешнего поля через равные промежутки времени t приводит к образованию РДС с заданным

размером домена D и ориентировкой Ps .

Технологическиепараметрыпроцессаполяризацииследующие:

– величина градиента температуры в области фазового пере-

хода;

–напряженность электрического поля;

–время переключения поля;

–скорость движения кристалла.

Процесс термоэлектрической обработки позволяет формировать РДС с любой заданной ориентацией доменных границ относительно кристаллофизических осей в массивных кристаллах ниобата лития при высокой воспроизводимости размеров доменов по объему кристалла с минимальными периодами в несколько десятков микрон.

На основе таких структур разработаны дифракционные электрооптические затворы и нелинейнооптические преобразователи лазерного излучения. Они обладают рядом преимуществ перед традиционными устройствами на монодоменных кристаллах: малые управляющие напряжения, низкий уровень потерь, термостабильность, возможность работы с неполяризованным излучением. Основными характеристиками, определяющими эффективность использования РДС, являются постоянство плоской формы доменных границ и размеров доменов по всему объему. Особенно сильное влияние на качество РДС оказывают однородность состава кристаллов НЛ и постоянство тепловых условий в процессе проведения термоэлектрической обработки.

47

5.3.Оборудование и материалы для проведения работы

1.Установка для термоэлектрической обработки кристаллов сегнетоэлектриков, блок-схема которой показана на рис. 5.2, состоит из системы управления и исполнительных блоков.

Рис. 5.2. Блок-схема установки для термоэлектрической обработки кристаллов и получения РДС

В систему автоматического управления входит ПЭВМ, снабженная энергонезависимым оперативным запоминающим устройством, служащим для контроля текущих технологических параметров; модулем памяти с программой проведения процесса; модулем инициализации для восстановления работоспособности систем при кратковременном отключении сетевого питания; усилителем канала, обеспечивающим связь ПЭВМ с задатчиками температуры и скорости перемещения кристалла; пультом оператора. Система автоматического управления обеспечивает оперативное управление процессом:

48

–взаимодействие оператором ПЭВМ с помощью дисплея и клавиатуры в диалоговом режиме;

–ввод исходных параметров процесса: времени, температуры, количества и размеров доменов, величины электрического поля;

–возможность выполнения следующих операций: нагрева печи до заданной температуры, выдержки кристалла, термоэлектрической обработки и охлаждения;

–ввод и обработку на экране дисплея графиков изменения скорости нагрева и перемещения кристалла, изменения электрического напряжения внешнего поля;

–вывод на индикацию текущей информации о процессе;

–возможность продолжения технологического процесса при кратковременных отключениях напряжения сети.

Блоки регулирования и регистрации температуры, в которые входят задатчики температуры, регуляторы температуры «Р – 133» и контрольные термопары в верхней и нижней зонах печи и на кристаллодержателе.

Блок теплового узла, состоящий из вертикальной градиентной двухзонной печи омического нагрева с термопарным вводом в

каждой зоне.

Блок вертикального перемещения штока с держателем кристалла и токовводами.

Блок формирования электрического поля в кристалле и контроля тока, состоящий из управляемого от ПЭВМ источника питания «Б5 – 50» и реле для изменения знака поля.

Держатель кристалла с токоподводами и термопарой для регистрации температуры в зоне фазового перехода.

Основные технические характеристики установки для термоэлектрической обработки кристаллов следующие:

–максимальная рабочая температура – 1250 С;

–точность поддержания температуры – ±0,5 С;

–диаметр рабочей зоны печи – 80 мм;

–длина зоны нагрева – 500 мм;

–диапазон регулирования скорости перемещения штока –

0,5…50 мм/час с точностью стабилизации скорости 0,5 %;

–рабочий ход штока – 500 мм;

–максимальное напряжение, подаваемое на кристалл – 300 В;

49

–диапазонвременипереключенияполя на кристалл– 1…103 с;

–потребляемая электрическая мощность – 2,5 кВт.

Монодоменный кристалл НЛ конгруэнтного состава, подготовленный для проведения процесса формирования РДС. На полярные грани нанесены проводящие электроды и закреплены проволочные токоподводы.

Оптический микроскоп «МИК – 4» для измерения периода РДС и оценки качества и однородности доменов.

5.4.Порядок проведения работы

1.Закрепить кристалл НЛ на кристаллодержателе и подсоединить токоподводы к контактам источника напряжения. Грани с электродами расположить вертикально, при этом направление электрического поля в кристалле и градиент температуры в печи взаимно

перпендикулярны, а направление спонтанной поляризации Ps параллельно доменной границе (см. рис. 5.1, а).

2.Переместить шток с кристаллом в рабочую зону печи. Закрыть камеру и включить водяное охлаждение установки.

3.Ввести с помощью клавиатуры в таблицу технологических параметров на экране дисплея ПЭВМ параметры процесса формирования РДС:

температура верхней зоны – 1175 С;

температура нижней зоны – 900 С;

скорость перемещения штока V – 10 мм/ч;

время нагрева – 2 ч;

время выдержки – 0,5 ч;

напряжение внешнего электрического поля от источника питания на электродах кристалла – 500 мВ/см;

время действия поля одной полярности переключения поля t, с, исходя из заданного размера домена D = Vt; размер D задается преподавателем из интервала возможных значений 50…300 мкм;

время процесса формирования доменов – 1 ч;

время охлаждения – 2 ч.

4. Правильность введения параметров подтверждается появлением команды на экране дисплея команды на проведение процесса формирования доменов. Информацию о текущих значениях технологических параметров необходимо брать из таблицы на экране дис-

50