Формирование периодически поляризованных структур в тонких слоях близкого к стехиометрическому состава модифицированных методом VTE кристаллаов танталата лития

УДК 538.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СТРУКТУР В ТОНКИХ СЛОЯХ БЛИЗКОГО К СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОМУ СОСТАВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕТОДОМ VTE КРИСТАЛЛАОВ ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ

1, 2, 1, M. Н. Палатников1

1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени КНЦ РАН, г. Апатиты, Мурманская обл., [e-mail]

2 Институт Проблем Технологии Микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Московская обл.

Модифицирование кристаллов LiTaO3 путем изменения соотношения Li/Ta от конгруэнтного до стехиометрического состава позволяет в широких пределах изменять свойства, ответственные за акустические, акустооптические, нелинейно-оптические применения. Это чрезвычайно важно для осуществления задач доменной инженерии (domain engineering), когда периодические доменные структуры нелинейно-оптических устройств создаются постростовыми методами. Набор необходимых физических характеристик может быть сообщен приповерхностному слою кристаллической пластины танталата лития методом VTE (vapor transport equilibration) [1].

Кристаллы танталата лития стехиометрического или очень близкого к нему составов с однородным показателем преломления, полученные методом VTE (LT VTE), ввиду низкого коэрцитивного поля перспективны в качестве материалов для нелинейно-оптических преобразователей лазерного излучения с периодически поляризованными доменными структурами. Сущность метода VTE состоит в длительном (до 300 часов) отжиге сравнительно тонких (~ 1 – 3 мм) кристаллических пластин танталата лития с составом, отличным от стехиометрического, при высокой (1°С) температуре в атмосфере, насыщенной литием.

Исследование спектров КРС (Ramanor U1000 при возбуждении линией 514,5 нм аргонового лазера) показало наличие слоев с различным соотношением Li/Ta в приготовленных VTE-методом образцах LT VTE. Причем сразу за поверхностным слоем следует слой толщиной ~ 0.5 мм с одинаковым соотношением Li/Ta. О постоянстве соотношения Li/Ta свидетельствует постоянство значения ширины (S) линии с частотой 140 см-1 Е(ТО) симметрии в спектре КРС LT VTE на расстоянии 0 – 0.5 мм от поверхности в глубину образца. Если судить по величине коэрцитивного поля (ЕС ~ 3 кВ /см), определенной при исследовании петель диэлектрического гистерезиса по классической схеме Сойера-Тауэра при синусоидальной форме электрического поля частотой 0.02 Гц и амплитудой напряжённости поля 12.5 кВ/см, то состав этого слоя весьма близок к стехиометрическому (ЕС~210 кВ /см для кристаллов конгруэнтного состава) [1].

Для создания доменных структур методом электронно-лучевого облучения использовались полированные пластины Z´-среза LT VTE толщиной 0,75 мм, вырезанные под углом 380 к направлению оси Z. Облучалась отрицательная поверхность –z´. Управление электронным лучом при рисовании по поверхности осуществлялось при помощи литографической программы NanoMeiker, встроенной в растровый электронный микроскоп марки JSM-840A

Контролируемое облучение поверхности и рисование доменов проводилось при ускоряющем напряжении (V) 25 кВ, токе электронного луча (I) 0,1 нA. Размер производимых локальных облучений варьировался от 0,25 мкм2 до 4 мкм2. Использовались дозы внедряемого заряда D = 100−1000 мкКл/см2. Сформированные в результате облучений домены исследовались после химического травления образцов в растворе (HF+2HNO3) с помощью атомно-силового микроскопа Nano-R2. До травления поверхности потенциальное изображение зон облучений наблюдалось в растровом электронном микроскопе при низковольтных режимах.

Средний радиус доменов, формирующихся при зарядах близких к пороговым значениям (около Q ≈ 1·10 -12 Кл), и доросших до противоположной стороны образца, составил rd ~ 1,5-1.7 мкм (рис.1 а). С увеличением величины внедряемого заряда гексагональная форма доменов вытягивается в направлении Y´ (рис.1б), что связано, по-видимому, с наклонным положением спонтанной поляризации относительно облучаемой поверхности.

а б в

Рис. 1 − а) и б) Одиночные домены, разной формы; в) АСМ изображение серии доменов, полученных в LT VTE в результате «рисования» лучом вдоль X направления (период ~6,5 мкм, расстояние между доменами в ряду ~1,5 мкм)

Выводы

1. В кристаллах танталата лития, подвергшихся VTE обработке в парах лития, возникают слои толщиной несколько сотен микрон с составом близким к стехиометрическому.

2. Образовавшиеся в образцах LT VTE слои стехиометрического и близкого к нему состава толщиной до 500 мкм, обладают в десятки раз меньшими (до 70 раз) значениями коэрцитивного поля, чем кристаллы конгруэнтного состава.

3. Исследованы особенности формирования методом электронно-лучевого рисования регулярных доменных структур в тонких кристаллических пластинах LT VTE.

ЛИТЕРАТУРА

1. Gopalan, V. Crystal growth, characterization, and domain studies in ferroelectric lithium niobate and tantalate / Gopalan V, Aust JA, Sanford NA, Kitamura K, Furukawa Y. // In Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, San Diego: Academic –2000. –P. 57–114.