9.6. ПОЛУЧЕНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР

Периодические или регулярные доменные структуры (РДС) привлекают к себе внимание тем, что:

а) создают возможность использовать электрооптический эффект для управления лучом без применения поляризационной оптики;

б) позволяют реализовать нелинейное оптическое взаимодействие в условиях квазисинхронизма. Особенности и преимущества квази-синхронного нелинейного оптического взаимодействия были кратко рассмотрены ранее.

Для описания РДС можно ввести вектор пространственной периодичности к где - нормаль к поверхности доменной границы; - ширина домена (расстояние между доменными границами). Условия, необходимые для формирования РДС, можно создавать как при выращивании кристалла, так и в процессе послеростовой электротермической обработки или электрического воздействия. Принципиальная возможность получения РДС имеется в любых сегнетоэлектриках, так как полидоменное состояние сегнетоэлектрика является энергетически более выгодным. Реально РДС получена на практически наиболее важных кристаллах - ниобате и танталате лития. Поэтому ниже будут рассмотрены возможности получения РДС именно в этих кристаллах. При переходе из парафазы в сегнетофазу в кристаллах ниобата и танталата лития утрачивается единственный элемент симметрии - центр инверсии, поэтому векторы в соседних доменах должны быть ангипараллельны. По условиям симметрии ориентировка доменных границ в кристаллах симметрии может быть произвольной. Однако, если к составляет с осью 3 угол, не равный 90 град, на доменной границе возникают связанные (поляризационные) заряды, что резко увеличивает энергию границы. Поэтому существование доменных границ, для которых направление к неортогонально оси 3, возможно только в тех случаях, когда при формировании доменных границ возможна компенсация связанных зарядов свободными, т.е. при условии высокой электропроводности. Эти условия легко создаются в кристаллах ниобата лигия, у которых температура Кюри близка к температуре кристаллизации.

9.6.1. ФОРМИРОВАНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Образование регулярных доменных структур при выращивании сегнетоэлектрических кристаллов [45, 46] происходит при колебаниях

Рис. 9.26. Связь ростовой полосчатости со структурой доменных границ [51): а - концентрация примеси в ростовых полосах; градиент концентрации и соответствующее ему электрическое поле; в - форма доменных границ

условий кристаллизации. Давно замечена однозначная связь между ростовой полосчатостью и доменными стенками [47, 48]. Эта связь проявлялась как в легированных, так и в чистых кристаллах. Поскольку концентрационная неоднородность наиболее ярко проявляется в легированных кристаллах, для получения РДС при росте использовались кристаллы, легированные примесью иттрия с концентрацией до 0,1 % (масс.) [49 - 51]. Обнаружена зависимость структуры доменных стенок от концентрации иттрия [51]. Доменная граница возникает там, где градиент концентрации иттрия меняет знак. При резком изменении знака образуется ровная стенка, а при плавном изменении знака - неровная, зубчатая (рис. 9.26). Качественная связь ростовой полосчатости и доменной структуры [52] объясняется появлением поля объемного заряда в областях кристалла с неоднородным распределением примесей. При легировании кристаллов ионами иттрия возникают заряженные центры или заряд которых могут компенсировать либо точечные дефекты (вакансии лития или кислорода), либо подвижные носители электронной подсистемы (подвижность электронов в состоянии малых поляронов может быть весьма низкой и соизмеримой с подвижностью точечных дефектов). Объемный заряд возникает [52] при амбиполярной диффузии из-за разницы подвижностей ионов и компенсирующих их заряд дефектов и из-за упругих искажений, вызванных разницей ионных радаусов катионов матрицы. В результате между примесными и компенсирующими зарядами возникает расстояние индуцированная поляризация и соответствующее ей электрическое поле

где - заряд разделенных дефектов.

Таким способом, создавая ростовую неоднородность, например, за счет вращения растущего кристалла в неоднородном тепловом

поле, можно получить РДС с расстоянием между доменными стенками в несколько микрон. Недостатком этого метода является то, что форма и ориентация доменных границ определяются формой и ориентацией фронта кристаллизации, а размер доменов - параметрами процесса роста (колебаниями температуры, условиями формирования ростовой полосчатости и т.д.). Это существенно ограничивает возможности управляемого формирования РДС. В частности, это затрудняет получение плоских доменных границ, так как фронт кристаллизации обычно не является идеально плоским. Это затруднение было преодолено с помощью так называемого гранного роста. Известно, что кристаллы стремятся ограниться определенными простыми формами. В ниобате лития такой простой формой является ромбоэдр Кристалл тем лучше ограняется, чем ближе положение фронта кристаллизации к положению грани этой простой формы.

При выращивании кристалла в направлении и при близкой к плоской изотерме кристаллизации образуются ограненные плоскими гранями типа участки. При гранном росте, так же как и при нормальном росте, возможно появление ростовой полосчатости и соответствующей этой полосчатости доменной структуры. При этом доменные стенки оказываются плоскими, так как плоским является гранный фронт кристаллизации и соответствующие этому фронту границы микродвойников тоже оказываются плоскими. Расстояние между доменными стенками составляло до 2 мкм при площади плоской грани около при отклонении от плоскости не более 0,2 мкм [53].