1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 10, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 10, стр. 1441-1443

Исследование пироэлектрического отклика тонких сегнетоэлектрических пленок ниобата бария–стронция при их нагреве импульсным лазером

А. М. Пугачев 1, *, А. А. Соколов 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Новосибирск, Россия

* E-mail: apg@iae.nsk.su

Поступила в редакцию 01.06.2022
После доработки 15.06.2022
Принята к публикации 22.06.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучен пироэлектрический отклик тонких сегнетоэлектрических пленок ниобата бария–стронция SrxBa1– xNb2O6 (SBN-x) при их нагреве импульсным лазером. Показано, что по пироэлектрическому отклику можно определить величину спонтанной поляризации пленки и распределение пирокоэффициента по глубине образца. Исследованы пленки SBN-50, выращенные плазменным напылением на слое оксида индия–олова, который был нанесен на кремниевую подложку.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что по временной зависимости пироэлектрического тока при импульсном нагреве сегнетоэлектрической пленки можно с высокой точностью определить не только величину спонтанной поляризации в образце, но и пространственное распределение доменов внутри образца [1, 2]. Доменная структура определяет пространственное распределение пироэлектрического коэффициента по глубине пленки, а задача определения распределения пирокоэффициента по глубине представляет из себя решение уравнения Фредгольма 1 рода:

(1)
${{J}_{p}} = \int {{{k}_{p}}(x)\frac{{\partial T(x,t)}}{{\partial t}}} dx.$
Здесь Jp – пироэлектрический ток, T – температура, t – время, x – координата, kp(x) – пирокоэффициент.

Несмотря на то, что в общем случае эта задача является некорректной, она решается при дополнительных предположениях о виде резольвенты [4–7]. Так, авторы [1, 2] искали решение в виде кусочно-линейных функций, авторы [5, 6] – в виде усеченного ряда Фурье, авторы [7] – как интерполяционный многочлен Лагранжа. В частности, решение можно искать в классе полиномов Чебышева [8]. Обычно при выборе класса функций, в котором ищется решение, исходят из того, чтобы этот класс хорошо приближал гладкие функции. Однако, знание о распределении пирокоэффициента по глубине, полученное из физических соображений, может существенно уменьшить количество параметров задачи, а, главное, что эти параметры будут иметь физический смысл.

Экспериментально для определения зависимости пирокоэффициента от глубины авторами в [1] регистрировалась временная зависимость пироэлектрического отклика от импульсного нагрева поверхности пленки ниобата бария–стронция Sr0.5Ba0.5Nb2O6 (SBN-50), а в работах [4–7] – зависимость пироэлектрического отклика от частоты при синусоидальной модуляции нагревающего луча лазера (laser intensity modulation method – LIMM).

В рассмотренных работах предполагалось, что пирокоэффициент зависит только от глубины, а нагрев образца идет в пределах одного домена. Это условие часто не выполняется для объемных кристаллов [3, 9, 10]. В случае нагрева большого числа доменов задача о нахождении пироэлектрического сигнала остается одномерной. В этом случае следует рассматривать пирокоэффициент, усредненный на единицу площади.

В [3] показано, что в одноосных монокристаллах домены прорастают клиньями. Для массивных образцов угол клина фиксирован. Для пленок этот угол может быть другим. Однако, можно предположить, что этот угол одинаков для всех доменов в пленке, как и в кристалле [9]. Усредненный по площади пирокоэффициент будет линейно зависеть от глубины, причем наклон в этой зависимости определяется углом роста доменов. В случае не полностью проросших доменов будет плавный переход от наклонной зависимости к константе. Будем искать решение в виде кусочно-линейной функции с одним наклонным участком и одним или двумя участками с нулевым наклоном. Таким образом, в нашей задаче остается два параметра: угол и глубина прорастания доменов. В [1] авторы подобным образом описали искомую функцию.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В качестве образца использовалась пленка SBN-50, выращенная ВЧ напылением на слой оксида индия–олова ITO, который, в свою очередь, нанесен на кремниевую подложку (см. рис. 1). На поверхность пленки термическим напылением наносился тонкий Cr электрод. Вторым электродом служит слой ITO. Верхний и нижний электроды нужны для регистрации пироэлектрического тока, а подложка – для механической прочности. Толщина пленки по данным сканирующей электронной микроскопии составляет 2 мкм.

Рис. 1.

Схематическое изображение исследуемого образца. Поглощающий электрод – пироэлектрик – электрод ITO – подложка.

На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки. Для нагрева использовался лазер DTL-429 QT с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 6 ⋅ 10–9 с и частотой следования до 1000 Гц. Энергия импульса возбуждающего излучения, падающего на электрод, составляла не более 100 мДж. Для наведения лазера в нужную точку использовалась вторая гармоника от лазерного излучения. Пироэлектрический сигнал усиливался и регистрировался на цифровом осциллографе Rigol DS 1102C.

Рис. 2.

Схема экспериментальной установки.

Измерения производились сквозь электрод. Это давало возможность увидеть распределение пирокоэффициента по глубине образца в конкретной точке под электродом, поскольку время распространения вглубь образца много меньше времени растекания тепла по поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Лазерный импульс нагревает тонкий электрод на поверхности сегнетоэлектрической пленки, которая обладает пироэлектрическими свойствами (см. рис. 1). Тепло растекается вглубь образца и, по мере прогрева пленки, возникает пироэлектрический ток, который регистрируется на осциллографе. Поскольку времена регистрации меньше времени равномерного нагрева, сигнал несет в себе информацию о распределении пирокоэффициента по глубине.

Для объяснения полученных данных было проведено моделирование растекания тепла в структуре, представленной на рис. 1. На рис. 3 приведен пироэлектрический отклик, представляющий из себя интеграл по глубине образца производной температуры от времени (уравнение 1) в приближении постоянного пирокоэффициента по глубине пленки. Видно, что в эксперименте пироэлектрический отклик имеет более короткий выброс в отрицательную область, что говорит о том, что в SBN есть встречные домены.

Рис. 3.

Расчетная кривая (сплошная линия) для постоянного пирокоэффициента по глубине пленки и экспериментальная (точки) зависимость пироэлектрического тока от времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реализована методика измерения пироэлектрического отклика пленки SBN под действием лазерного импульса. Показано, что по пироэлектрическому отклику можно определить величину спонтанной поляризации пленки и распределение пирокоэффициента по глубине образца. Предложенная методика обладает большой чувствительностью и высоким пространственным разрешением.

Список литературы

  1. Анцыгин B.Д., Косцов Э.Г., Соколов А.А. // Автометрия. 1986. № 2. С. 30.

  2. Соколов А.А., Иванов И.Д. // Автометрия. 2022. Т. 58. № 2. С. 54.

  3. Shur V.Ya. // Ferroelectrics. 2006. V. 340. P. 3.

  4. Lang S.B., Das-Gupta D.K. // J. Appl. Phys. 1986. V. 59. No. 6. P. 2151.

  5. Lang S.B. // Ferroelecfrics. 1991. V. 118. P 343.

  6. Bauer S., Ploss B. // J. Appl. Phys. 1990. V. 68. No. 12. P. 6361.

  7. Biryukov S.V., Sotnikov A., Weihnacht M. // Ferroelectrics. 2011. V. 185. No. 1. P. 281.

  8. Adibi H., Assari P. // Math. Probl. Engin. 2010. Art. No. ID 138408.

  9. Shur V.Ya., Kosobokov M.S., Makaev A.V. et al. // Acta Mater. 2021. V. 219. Art. No. 117270.

  10. Shur V.Ya., Rumyantsev E.L., Shishkin E.L. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. No. 22. P. 3636.

  11. Ivanov S.D., Kostsov E.G. // IEEE Sens. J. 2020. V. 20. No. 16. P. 9011.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал