The VSA TiLT Challenge;pdf

Матери
иалы Межд
дународно
ой научно--техническкой конференции,
1 – 5 декабря
д
2014
2
г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2 0 1 4,
4 часть 1
МИРЭА
ТРЕХМЕР
РНАЯ МИК
КРОСКОПИ
ИЯ ВТОРОЙ
Й ОПТИЧЕ
ЕСКОЙ ГАР
РМОНИКИ
ПОЛЯР
РНЫХ ДОМ
МЕННЫХ СТРУКТУР
С
LiNbO3
© 2014 г.
С.Д
Д. ЛАВРОВ1, А.П. ШЕС
СТАКОВА1, Е.Д.
Е
МИШИН
НА1,
2
3
Т.Р. ВОЛ
ЛК , Л.С. КОХАНЧИК
1
Моско
овский госуд
дарственный
й технический универси
итет радиоте
ехники,
электро
оники и авто
оматики,
2
Ин
нститут криссталлографии им. А.В. Шубникова Российской
й академии н
наук, г. Москква,
3
Институтт проблем те
ехнологии микроэлектр
м
оники и особочистых материалов
Росссийской акад
демии наук, г. Черногол
ловка
e-maill: [email protected]
С
Сегнетоэле
ектрически
ие доменны
ые структу
уры с зада
анными структурными параметрам
ми предста
авляют оссобый инте
ерес для оптическо
ого преобр
разования частот.
LiNbO3 является широко иззвестным материалом
м
м, использзуемым в д
доменной инженеи
рии, ка
ак объемных кристаллов [1], так и оптических во
олноводов
в [2]. Элекктроннолучевая
я литограф
фия (ЭЛЛ) является перспектив
вным мето
одом для ф
формирова
ания доменной
й структуры
ы, в частности, для иззготовлени
ия двухмерных домен
нных структтур. Для
создани
ия структур
ры с задан
нными пар
раметрами,, необходи
имо выполн
нить анали
из влияния усл
ловий экспонировани
ия на форм
мирование доменныхх структур. Хотя влия
яние параметр
ров ЭЛЛ на формиров
вание доме
енов обсуж
ждалось в ряде
р
публи
икаций, (например,
[3, 4, 5], образование доменов вызывает много во
опросов.
В этой раб
боте для иссследовани
ия микродо
оменных ре
ешеток Y-ссреза LiNbO
O3 были
объеди
инены мето
оды сканирующей зон
ндовой миккроскопии и конфокал
льной микроскопии
генерац
ции второй
й гармоники
и (ГВГ). Оттличительн
ной особенностью это
ой работы является то, что
ч доменн
ная структуура была сформиров
с
вана вблизи поверхно
ости моноккристаллическо
ого образц
ца, при этом
м толщина
а доменов составляла
с
а единицы микрометр
ров, что
на нескколько поря
ядков мень
ьше толщин
ны монокри
исталличесской пластины.
Рис. 1. (а) Схема эксспериментал
льной устан
новки: {1} - лазер, {2} - объектив,
ирующий сто
олик, с закрепленным на
н нём обра
азцом, {4} - фото элек{3} - скани
тронный умножитель. (b) Схема исследуемой
и
й доменной структуры.
17
Методика конфокальной микроскопии ГВГ для исследования сегнетоэлектрических доменных структур основана на классическом подходе, разработанном группой
профессора Уесу [6, 7]. В отличие от указанных работ, в наших исследованиях была
использована конфокальная геометрия «на просвет», что обусловлено малой толщиной домена по сравнению с толщиной всего кристалла.
Источником лазерного излучения является фемтосекундный титан-сапфировый
лазер TIF-50F (ООО «Авеста-проект», Россия) с длиной волны 800 нм, частотой повторения импульсов 100 МГц и длительностью импульсов 90 фс. Средняя выходная мощность излучения составляла 0,4 Вт. Фокусировка луча накачки и детектирование отраженного пучка ВГ проводились с помощью конфокального микроскопа Alpha300S
(WITec, Германия). Для фокусировки излучения накачки на поверхности образца и детектирования отраженного излучения ГВГ с длиной волны 400 нм использовался объектив х40 (NA = 0,65). Конструкция микроскопа позволяла проводить сканирование образца лазерным лучом как в плоскости образца (в плоскости XZ, Рис. 1, b), так и в направлении нормали к поверхности (вдоль оси Y). На Рис. 1, b представлена схема доменной структуры.
На Рис. 2 показаны изображения, полученные методом ГВГ микроскопии
(Рис. 2, c, f) и силовой микроскопии пьезоотклика доменных структур при напряжении
ускоряющего электронного пучка
= 15кВ (Рис. 2, c) и 25кВ (Рис. 2, f) и силе тока
= 0,1нА. На ГВГ-изображениях домены имеют вид ярких полос. Интригующий особенностью ГВГ-изображений является факт снижения интенсивности сигнала ГВГ при более высоких ускоряющих напряжениях, использованных для записи доменных решеток(Рис. 2, f). Можно сделать предположение, что доменная решетка при большей
мощности экспонирования формировалась не на поверхности, а в глубине образца.
Однако, сканирование методом силовой микроскопии пьезоотклика (Рис. 3, d) обнаруживает эту решетку на поверхности, опровергая это предположение.
Рис. 2. Изображения, полученные методом силовой микроскопии пьезоотклика (изображения a, d); методом ГВГ микроскопии (изображенияc, f), и сечение
вдоль оси Х (изображения b, e).
Наш дальнейший анализ опирается на подход, предложенный в работе [6] для
3-х мерной визуализации доменной структуры методом конфокальной ГВГ микроскопии. Этот подход основывается на теории, предложенной Клейманом и Бойдом [8]. Согласно этой теории в случае жесткой фокусировки зависимость интенсивности ГВГ в
области перетяжки при сканировании пластины толщиной D вдоль оси Y описывается
следующим выражением [6, 7]:
( ∙∆ ∙ )
∝
где
(1)
∙ /
– квадратичная нелинейная восприимчивость, ∆ =
18
+2
– фазовое рассогла-
сование
е, с учетом
м выбранно
ой геометри
ии на отраж
жение,
- расстояни
ие от точки фокуса
до пове
ерхноти, - величина
а, определяемая криттерием Рэл
лея:
=
=
∙
(
) /
,
(2)
1
(3)
В выражен
ниях (2) и (3)
(
- дли
ина волны накачки,
- показаттель прело
омления
– число
овая аперттура объекттива.
В случае интерферен
нции междуу волнами ГВГ от дом
мена толщиной и объемом
кристал
лла толщин
ной (
) полное поле ГВГ мо
ожет быть приведено
о к классич
ческомувиду[7]:
среды,
∝
( ∙∆
∆ ∙ )
+
∙
( ∙∆ ∙ )
∙
(4)
В этом выражении фазовый
ф
сд
двиг включ
чен в соотв
ветствующ
щий интегра
ал, в то
время как
к в работте [6] он пр
редставлен
н в виде су
уммы векто
оров. В ура
авнениях. (1) и (4)
пре
едставляетт собой эле
ектрическо
ое поле вол
лны ГВГ,
и
- нелинейные восприимчиво
ости домен
нной структтуры и объ
ъёма исход
дного криссталла, соо
ответственно. Для
того, чттобы найти
и корреляц
цию междуу толщиной
й доменов и профилем интенсивности
ГВГ было проведе
ено сканир
рование в направлени
н
ии оси Y.
Н Рис. 3, а предста
На
авлены ГВГ изображ
жения доме
енных реш
шеток, полу
ученные
при ска
анировании
и вглубь об
бразца (вд
доль оси Y), представ
вленного н
на Рис. 2. Поверхность кристалла
к
и домены хорошо ра
азличимы, интенсивность нелин
нейно-опти
ического
отклика
а доменных структур значитель
ьно выше, чем на по
оверхности
и кристалла
а. Зависимости интенсив
вности ГВГ от глуби
ины фокус
сировки
( ) показзаны на Рис.
Р
3, b.
Вместе
е с увеличе
ением инте
енсивности ГВГ
отт доменныхх структур, происходи
ит сдвиг
максим
мума распре
еделения сигнала
с
( ) с пове
ерхности внутрь объе
ема кристалла.
Ри
ис. 3. Изобр
ражение ГВ
ВГ, полученн
ное при ска
анировании в глубину доменной рер
шетки при на
апряжении = 15кВ (а); Эксперим
ментальная зависимость интенсивн
нооложения фокальной
ф
п
плоскости
(б
б); Расчётна
ая зависимо
ость интенси
ивстти ГВГ от по
но
ости ГВГ от положения фокальной
й плоскости для различ
чных толщин доменов .
Ни
ижняя сплош
шная линия соответствует пустой поверхности
п
и.
О
Основывая
ясь на выр
ражении (4), нами бы
ыла рассчитана зависсимость ин
нтенсивности ГВГ
Г
от глуб
бины фокуусировки
( ) для разных зна
ачений тол
лщины дом
мена .
Для
= 0 (повер
рхность кр
ристалла) зависимост
з
ть
( ) имеет вид
д единично
ого пика
(Рис. 3,, с). При вв
ведении лю
юбой мало
ой толщины
ы домена в уравне
ение (4) ин
нтенсивность пика
п
резко увеличива
ается (крив
вая 1), при этом, фор
рма пика о
остается пр
рактиче-
19
ски неизменной. Кривые 2, 3 и 4 были рассчитаны, для
= 1,65, 4,01 и 4,05 мкм. Рас, представчетные кривые качественно совпадают с измеренными результатами
( ) была проведена
ленными на Рис. 3, b. На основании расчетных зависимостей
оценка толщины домена, как ширины пика интенсивности на полувысоте. Полученные
результаты согласуются с толщинами доменов, измеренными методом селективного
травления и атомно-силовой микроскопии, что показано в работе [9].
Таким образом, в данной работе показана возможность исследования объёмных характеристик планарных доменных структур при помощи неразрушающих методик силовой микроскопии пьезоотклика и конфокальной микроскопии ГВГ. Наблюдаемые характерные свойства ГВГ-изображений в геометрии «на отражение»описываются
в рамках теории Клеймана-Бойда.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (грант № 14.Z50.31.0034).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Volk T. and Woehlecke M. Lithium Niobate (Defects, Photorefarction and Ferroelectric
Switching), (Springer, 2008).
2. Sohler W., Hui Hu, Ricken R., Quiring V., Vannahme Ch., Herrmann H. and Buechter D.
Optics & Photonic News, 24 (2008).
3. Nutt A.C.G., Gopalan V., and Gupta M.C. Appl. Phys. Lett. 60, 2828, (1992).
4. Restoin C., Darraud-Taupiac C., Decossas J.L., Vareille J.C., Hauden J., and Martinez A.
J. Appl. Phys. 88, 6665 (2000).
5. Restoin C., Massy S., Darraud-Taupiac C., and Barthelemy A. Opt. Mat. 22,193 (2003).
6. Kaneshiro J., Kawado S., Yokota H., Uesu Y. and Fukui T. J. Appl. Phys. 104, 054112
(2008).
7. Kaneshiro J., Uesu Y., and Fukui T. J. Opt. Soc. Am. B, 27, 888 (2010).
8. Boyd G.D. and Kleinman D.A. J. Appl. Phys. 39, 3597 (1968).
9. Kokhanchik L.S., Gainutdinov R.V., Mishina E.D., Lavrov S.D. and Volk T.R. Appl. Phys.
Lett., 2014, в печати.
20