авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Переключение и диэлектрическая релаксация в сегнетоэлектрических наноструктурах в форме пленок ленгмюра-блоджетт

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 537.226

Иевлев Арсений Сергеевич

Переключение и диэлектрическая релаксация в

сегнетоэлектрических наноструктурах в

форме пленок Ленгмюра-Блоджетт

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва

2006

Работа выполнена в Институте кристаллографии имени А.В. Шубникова Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Верховская Кира Александровна

(Институт кристаллографии РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Новик Виталий Константинович

(Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова)

доктор физико-математических наук,

Быстров Владимир Сергеевич

(Институт математических

проблем биологии РАН)

Ведущая организация: Тверской государственный университет

Защита диссертации состоится “ ” ____________ 2006 г. в “___” часов на заседании Диссертационного совета Д 002.114.01 в Институте кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН по адресу: 119333 Москва, Ленинский проспект, 59.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН.

Автореферат разослан «___»________ 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук В.М. Каневский


Общая характеристика работы

Актуальность темы. Диссертация посвящена исследованию сегнетоэлектрических пленок сополимера поливинилиденфторида с трифторэтиленом П(ВДФ-ТрФЭ), полученных методом Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ). В 1995 году в ИК РАН были получены первые сегнетоэлектрические ЛБ пленки. В настоящее время сегнетоэлектрические наноструктуры – это интенсивно развивающееся направление исследования. Поэтому проведенные в настоящей работе исследования кинетики переключения и диэлектрической дисперсии ЛБ пленок сополимера являются актуальными и способствовали прояснению фундаментальных вопросов о возможности существования сегнетоэлектричества в одном или нескольких монослоях, т.е. на молекулярном уровне.

Цель работы.

Созданная в 1995 году методика Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) для получения сверхтонких наноструктурных сегнетоэлектрических пленок из сополимера винилиденфторида с трифторэтиленом П(ВДФ-ТрФЭ) впервые сделало возможным изучение сегнетоэлектрических наноструктур [1-3]. Эти работы стимулировали поиск критической толщины в перовскитовых наноструктурных сегнетоэлектриках и изучение их свойств в области критической толщины (см. 1.3 гл. 1).

В работах [2, 3] было показано, что сегнетоэлектричество существует в двух монослоях сополимера (~ 1 нм). Можно ли принять два монослоя за критическую толщину Lcr=1 нм? Существуют ли в сополимере спонтанная поляризация Ps и её переключение в одном монослое (0.5 нм)? Если существуют, то для сегнетоэлектрического сополимера критическая толщина, ранее предсказанная теорией среднего поля, отсутствует. Решение этого вопроса было первой задачей, поставленной в настоящей работе.



Ранее кинетика переключения была исследована для сегнетоэлектрических пленок ЛБ, состоящих из 10 (5 нм) и более монослоев [4]. Было показано, что механизм переключения принципиально отличается от доменного механизма Колмогорова-Аврами-Ишибаши и хорошо описывается уравнением Лагранжа, которое для этого случая чаще называют уравнением Ландау-Халатникова, описывающим однородное (бездоменное) переключение. Поэтому второй задачей, поставленной в работе, было изучение кинетики переключения сверхтонких слоев ЛБ с толщиной L<5 нм.

Третьей задачей было исследование диэлектрической дисперсии в сверхтонких сегнетоэлектрических ЛБ пленках и определение температурной зависимости времени релаксации.

Объекты исследования.

Объектами исследования служили пленки сополимера П(ВДФ-ТрФЭ) с разным содержанием ВДФ (75:25, 70:30, 60:40). Все исследованные пленки получены по технологии Ленгмюра-Блоджетт горизонтальным методом. Изучены ЛБ пленки различной толщины от 1 до 100 монослоев. Для исследования переключения в одном монослое сополимера были получены комбинированные пленки, состоящие из двух слоев сополимера, разделенных двумя слоями антрахинонового красителя.

Научная новизна работы.

1. Подробно исследована двумя независимыми методами кинетика переключения сверхтонких сегнетоэлектрических пленок сополимера П(ВДФ-ТрФЭ). Эти измерения проведены в диапазоне толщин от 0.5 до 50 нм.

2. Впервые на примере сегнетоэлектрических ЛБ-пленок достигнута критическая толщина, совместимая с существованием сегнетоэлектричества. Показано, что критическая толщина соответствует одному монослою (0.5 нм). Другими словами, критическая толщина у данного сегнетоэлектрика отсутствует.

3. Впервые изучена диэлектрическая релаксация в сверхтонких сегнетоэлектрических пленках Ленгмюра-Блоджетт.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты имеют как фундаментальный, так и прикладной характер. Фундаментальный результат заключается в определении критического размера, впервые выполненном в сегнетоэлектриках, то есть достижении минимального размера пленки, совместимого с существованием сегнетоэлектричества. Прикладное значение вытекает из фундаментального результата. Полученные данные могут быть использованы в создании новых элементов памяти.

Выносимые на защиту положения.

1. Органический сегнетоэлектрический сополимер П(ВДФ-ТрФЭ) не обнаруживает критической толщины, так как спонтанная поляризация и её переключение имеют место в одном монослое.

2. Сегнетоэлектрические наноструктуры на основе сополимера П(ВДФ-ТрФЭ), включая один монослой, обнаруживают новую кинетику переключения. Эта кинетика хорошо описывается механизмом Ландау-Халатникова и имеет таким образом однородный характер, когда домены не играют существенной роли в переключении. Релаксация поляризации как в одном монослое, так и в ста монослоях, обнаруживает кинетику, которая характеризуется быстрым начальным спадом и последующим медленным. Поляризация в сополимере обнаруживает стабильное насыщение даже в одном монослое.

3. Для сегнетоэлектрических наноструктур на основе сополимера П(ВДФ-ТрФЭ) обнаружен дебаевский тип диэлектрической релаксации. В сегнетоэлектрической области наблюдалась температурная зависимость времени релаксации от температуры (явление критического замедления).

Апробация работы.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 10 Международной конференции по физике диэлектриков (Санкт-Петербург, 2004); 8-ой научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ (Дубна, 2004); Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (ПЛЕНКИ-2004) (Москва, 2004); Международной научной технической школе-конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (ПЛЕНКИ-2005) (Москва, 2005); Международном симпозиуме “Nanoelectric Days 2005” (Германия, 2005); 17-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектричества (Пенза, 2005); 18 международном симпозиуме по интегральным сегнетоэлектрикам (США, 2006); 5-ом Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 2006); Конкурсах научных работ ИК РАН (2004, 2005).

Публикации и личный вклад автора.

По теме диссертации имеется 8 публикаций и сделано 8 докладов на всероссийских и международных конференциях. Автором получены все экспериментальные результаты и выполнена их обработка. Исследуемые пленки сополимера были получены в лаборатории жидких кристаллов ИК РАН.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 115 страниц, включая 49 рисунков, одну таблицу и библиографию из 94 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обсуждена актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Дано краткое содержание разделов диссертации.

Первая глава является литературным обзором. В параграфах 1.1, 1.2 приводятся основные сведения по структуре и физическим свойствам ультратонких сегнетоэлектрических пленок Ленгмюра-Блоджетт из сополимера винилиденфторида с трифторэтиленом П(ВДФ-ТрФЭ).

Структура, фазовый переход и сегнетоэлектрические свойства пленок П(ВДФ-ТрФЭ), приготовленных методом ЛБ, были детально описаны в [2]. Как и объемные пленки П(ВДФ-ТрФЭ), полученные из раствора методом центрифугирования и ранее подробно изученные [5], они обнаруживают спонтанную поляризацию Ps~0,1 Кл/м2 в полярной орторомбической фазе 2mm и фазовый переход первого рода в неполярную фазу (по-видимому, гексагональную 6:m) при температуре 80-130°С (в зависимости от соотношения между ВДФ и ТрФЭ). Структура ЛБ пленок изучена методами рентгеновской и нейтронной диффрактометрии, а также в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) [2].

Сополимер состоит из углеродных цепей с расстоянием ~2,6 между группами CH2—CF2. Дипольный момент направлен перпендикулярно цепи (и перпендикулярно поверхности плёнки). Пленка ЛБ образуется путем переноса цепей сополимера с поверхности воды на поверхность стекла с напыленным в качестве электрода алюминием или платиной (нижний электрод). На приготовленную таким образом пленку напыляется верхний Al или Pt электрод. Толщина переносимого монослоя составляет 0,5 нм и контролируется эллипсометрически, потому что в технологии ЛБ возможен случай, когда переносится не один монослой, а два или три. В [3] диэлектрические петли гистерезиса были получены для пленок толщиной 30-2 монослоёв (15-1 нм). Переключение сверхтонких пленок сегнетоэлектрического полимера наблюдалось в СТМ для двух монослоев (1 нм), нанесенных на графитовую подложку [6].

Таким образом, было показано, что в полимерном сегнетоэлектрике П(ВДФ-ТрФЭ) сегнетоэлектричество существует в двух монослоях и, следовательно, вопрос о существовании сегнетоэлектричества в одном монослое оставался открытым.

Известно, что кинетика переключения сегнетоэлектрических кристаллов и пленок хорошо описывается доменной теорией Ишибаши-Аврами-Колмогорова (ИАК) [7]. Обращает на себя внимание, что для кристаллов и пленок, подчиняющихся механизму ИАК, коэрцитивное напряжение Vc (или коэрцитивное поле Ec) на много порядков ниже значения, предсказываемого теорией Ландау-Гинзбурга. Как известно, это связано с доменным механизмом переключения и тем, что теория среднего поля не учитывает доменов.

В ультратонких сегнетоэлектрических пленках ЛБ сополимера впервые обнаружено значение коэрцитивного поля Ec~109 В·м-1, совпадающее с теоретическим значением Гинзбурга-Ландау (если учесть в теории экспериментальные значения , и , измеренные независимо) [2]. Отсюда можно было бы предположить, что переключение ультратонких пленок ЛБ не связано с доменным механизмом (или домены не играют существенной роли).

В работах [4, 8, 9] исследовалась кинетика переключения сегнетоэлектрических пленок сополимера толщиной от двух до 100 монослоев. В диапазоне 2-30 монослоев эти пленки обнаруживают необычную кинетику. Она характеризуется двумя особенностями. Переключение происходит только при напряжении V>Vc. При V<Vc пленка не переключается, а при VVc переключение носит критический характер, и время переключения бесконечно растет. Критический характер переключения наблюдается только в ультратонких пленках сополимера (до 30 монослоев).

В [4] сделана попытка объяснить эту необычную кинетику с помощью уравнения Лагранжа, которое чаще называют уравнением Ландау-Халатникова (ЛХ) [10]. Было показано, что уравнение ЛХ хорошо передает вышеуказанные главные особенности экспериментальной кинетики переключения сверхтонких полимерных пленок. Отметим также, что с ростом толщины пленки не только меняется динамика переключения, но и происходит снижение .





В последнее время предпринимается попытка определения критического размера в сегнетоэлектричестве, и параграф 1.3 посвящен рассмотрению этого вопроса. Под критическим размером Lcr понимают максимальную толщину пленки (или размер кристалла), несовместимые с существованием сегнетоэлектричества. В.Л. Гинзбург на основе теории фазовых переходов второго рода Ландау развил феноменологическую теорию сегнетоэлектричества. В результате стали ясны два фактора, обусловливающие критический размер: поверхностная энергия и энергия экранирования. При толщине плёнки, когда одна из этих энергий сравнима или больше энергии решётки, сегнетоэлектричество исчезает.

Эти же факторы приводят к так называемому размерному эффекту, т.е. последовательному изменению свойств сегнетоэлектрика (например, снижению температуры Кюри) при утоньшении пленки. Экспериментальный поиск критического размера явился одной из фундаментальных задач физики сегнетоэлектричества. Этой задаче были посвящены десятки работ. Однако до конца 90гг ни в одной из них критический размер не был непосредственно обнаружен.

Прогресс наметился в начале 90гг, когда были приготовлены первые сегнетоэлектрические пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ). В 1995 г сегнетоэлектричество было обнаружено в пленках ЛБ из П(ВДФ-ТрФЭ) толщиной 30 монослоев (15 нм) [1]. В дальнейшем сегнетоэлектрическое переключение было найдено в двух монослоях (1 нм) [3, 6]. Эти публикации, по-видимому, стимулировали работы по поиску критической толщины в других сегнетоэлектриках, в первую очередь, с перовскитовой структурой. Для перовскитовых пленок критическая толщина оказалась отличной от нуля.

Так или иначе, в обзоре [8] и в работах “ab initio”, основанных на развитом в [11, 12] методе эффективного гамильтониана, было показано, что в принципе в сегнетоэлектрических пленках критическая толщина может как присутствовать, так и отсутствовать. Поиск критической толщины проводился на протяжении последних 30 лет путём развития технологии (в основном эпитаксиальной) получения тонких и сверхтонких пленок сегнетоэлектрика (преимущественно с перовскитовой структурой, L10 нм).

Рис. 1 показывает, что до начала 90гг исследовались пленки толщиной L100 нм 1-3 и что реальное получение и изучение сегнетоэлектрических наноструктур (L10 нм) началось лишь в конце девяностых годов 4-10. К моменту выполнения настоящей работы стало известно, что в перовскитовых структурах критическая толщина Lcr~1.2-5 нм, и, следовательно, отлична от нуля. Минимальная толщина полимерных ЛБ пленок составляла 2 монослоя (~1 нм). И вопрос о существовании в них критической толщины оставался открытым.

Вторая глава посвящена исследованию процесса переключения сегнетоэлектрических ленгмюровских пленок П(ВДФ-ТрФЭ) различной толщины от 7 до 100 монослоев двумя способами. Для измерения пироэлектрического отклика использовался метод Чайновеса. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 2.

 Толщина исследованных-0

Рис. 1. Толщина исследованных наноструктурных сегнетоэлектрических пленок за последние 30 лет. 1Batra I P, Silverman B D Solid State Comm. 11 291 (1972); 2Scott J F Ferroelectric Review 1 1 (1998); 3Li S, Eastman J A, Li Z, Foster C M, Newnham R E, Cross L E Phys. Lett. A212 341 (1996); 4Yanase N, Abe K, Fukushima N, Kawakubo T Jpn. J. Appl. Phys. 38 5305 (1999); 5Karasawa J, Sugiura M et al, Integr. Ferroelectrics 12 105 (1996); 6Li S, Eastman J A, Vetrone J M, Foster C M, Newnham R E, Cross L E Jpn. J. Appl. Phys. 36 5169 (1997); 7[6]; 8Maruyama T, Saitoh M, Sakai I, Hidaka T Appl. Phys. Lett. 73 3542 (1998); 9Tybell T, Ahn C H, Triscone J-M Science 303 488 (2004); 10Zembilgotov A G, Pertsev N A, Kohlstedt H, Waser R J. Appl. Phys. 89 (2002); 11Fong D D, Stephenson G B et al, Science 304 1650 (2004)

Источником света служила ксеноновая лампа ДКСШ-500. Пучок света прерывался с частотой 410 Гц. Часть падающего сфокусированного света поглощалась верхним электродом, создавая периодические колебания температуры образца.

Рис. 2. Схема для измерения поляризации по пироэлектрическому отклику.

При этом в цепи образца возникал пироэлектрический ток, амплитуда которого регистрировалась с помощью набора виртуальных приборов, входящих в комплект программы PhysLab, разработанной С.П. Палто (Институт кристаллографии РАН). Таким образом, учитывая, что пироэлектрический сигнал пропорционален поляризации P, была определена кинетика поляризации.

Время переключения t0 определялось из зависимости поляризации от времени P(t) двумя способами:

1). По пересечению оси абсцисс (P=0), т.е. когда поляризация меняет знак;

2). По начальному наклону .

Пленки поляризовались до насыщения поляризации PS (PS0.1 Кл/м2). Переключающее напряжение V прикладывалось к пленке в противоположном направлении. При использовании метода Чайновеса, были получены кривые переключения P/PS(t) для разных значений V. В деталях техника пироэлектрических измерений была описана в [4].

На рис. 3 показаны характерные кривые переключения, полученные для пленки в 100 монослоев. Время переключения t0 вычислялось из пересечения кривых переключения с линией P/Ps=0. Было показано, что эти точки соответствуют максимальному значению тока переключения. На рис. 4 и рис. 5 показаны зависимости , начального наклона и петли гистерезиса для пленок П(ВДФ-ТрФЭ) толщиной 7, 10, 30 и 100 монослоев.

Рис. 3. Кривые сегнетоэлектрического переключения для пленок П(ВДФ-ТрФЭ) (100 монослоев). 1 – 14 В, 2 – 11 В, 3 – 9 В.

Здесь VC – коэрцитивное напряжение, полученное из петли гистерезиса. Главная особенность переключения сверхтонких пленок видна на рис. 4. Переключение существует только для V>VC, переключения при V<VC нет.

Толстые ЛБ пленки в 100 монослоев показывают типичное сегнетоэлектрическое переключение, причем время t0 экспоненциально зависит от напряжения V без каких-либо особенностей при V=VC. Это проиллюстрировано на рис. 5. Известно, что объемные пленки П(ВДФ-ТрФЭ) показывают ту же самую экспоненциальную зависимость. Этот хорошо известный случай экспоненциальной зависимости характерен для доменного механизма переключения и развит в теории Колмогорова-Аврами-Ишибаши (КАИ) [7].

a b c

a1 b1 c1

a2 b2 c2



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.