ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОТОННЫХ И ФОНОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

В статье обобщены и проанализированы результаты исследований в области техно- логии создания сегнетоэлектрических фотонных и фононных кристаллов. Рассмотрены особенности формирования антипараллельных доменов в сегнетоэлектриках различными методами. Особое внимание уделено индустриально-ориентированным технологиям с малой продолжительностью технологического цикла. Кратко описаны результаты работ, выполненных в Московском технологическом университете. Предложен и исследован физико-технологический принцип, при котором локальное стимулирование инверсии доменов осуществляется с помощью интерферирующих волн и однородного электрического поля (термоинтерференционный принцип). Получены выражения для оценки энергетических и временных параметров интерференционного импульса, не зависящие от физической природы волн (электромагнитных и акустических). Рассмотрен метод реализации биимпульсной гетеротермальной технологии (БИГ-технологии) с использованием упругих волн (акустоинтерференционный метод), в частности, его «+Z-модификация». Данная модификация предполагает использование температурной решётки, индуцированной волнами, интерферирующими на +Z-поверхности сегнетоэлектрика. Предложены варианты конструкций оборудования для реализации «+Z-модификации» акустоинтерференционного метода. Разработана модель проектирования оборудования, позволяющая оптимизировать основные технологические параметры. Оценены основные параметры применительно к с-ориентированным плёнкам цирконата-титаната свинца. Показано, что использование акустоинтерференционного метода позволяет формировать регулярные доменные структуры в плёнках указанного сегнетоэлектрика с рекордно малой продолжительностью технологического цикла .

доменная инженерия, доменные структуры в сегнетоэлектриках, фотонные кристаллы, температурные решетки, биимпульсная гетеротермальная технология, акустоинтерференционный метод

1. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / Под ред. чл.-корр. РАН А.С. Сигова. М.: Энергоатомиздат, 2011. 174 с.

2. Kitaeva G.K., Kovalev S.P., Naumova I.I., Tuchak A.N., Yakunin P.V., Huang Y.C., Mishina E.D., Sigov A.S. Terahertz wave generation in periodically poled lithium niobate crystals fabricated using two alternative techniques // Laser Physics Lett. 2013. V. 10. № 5. P. 055404 (6 pp).

3. Joannopoulos J.D., Meade R.D., Winn J.N. Photonic Crystals. Princeton: Princeton University Press, 1995. 137 p.

4. Berger V. Nonlinear photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. № 19. P. 4136-4142.

5. Volk T.R., Kokhanchik L.S., Gainutdinov R.V., Bodnarchuk Ya.V., Chen Feng. Electronbeam domain patterning on the nonpolar surfaces of lithium niobate crystals // Ferroelectrics. 2016. V. 500. P. 129-140.

6. Ковалев С.П., Китаева Г.Х., Ильин Н.А., Мишина Е.Д., Пенин А.Н., Сигов А.С. Нелинейно-оптическое детектирование терагерцевого излучения в периодически поляризованных кристаллах // Вестник МГУ. Сер. 3: Физика. Астрономия. 2011. № 1. С. 12-18.

7. Мишина Е.Д., Шерстюк Н.Э., Зайцев А.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Переключаемый нелинейный двумерный сегнетоэлектрический фотонный кристалл // Изв. РАН. Сер. физическая. 2007. Т. 71. Вып. 10. С. 1424-1427.

8. Mishina E., Zaitsev A., Ilyin N., Sherstyuk N., Sigov A., Golovko Yu., Muhortov V., Kolesnikov A., Lozovik Yu., Yemtsova M., Rasing Th. Switchable nonlinear etalloferroelectric photonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 041107-3.

9. Горелик В.С. Оптика глобулярных фотонных кристаллов // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 5. С. 409-421.

10. Shur V.Ya., Akhmatkhanov A.R., Baturin I.S. Micro- and nano-domain engineering in lithium niobate // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2. P. 040604-22.

11. Леванюк А.П., Misirlioglu I.B., Мишина Е.Д., Сигов А.С. Эффекты деполяризующего поля в перфорированной пленке двухосного сегнетоэлектрика // ФТТ. 2012. № 11. С. 2109-2119.

12. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И. Индуцированные домены и периодические доменные структуры в электро- и магнитоупорядоченных веществах // УФН. 2000. Т. 170. С. 697-724.

13. Kumar A.K. Sarin, Paruch P., Triscone J. High-frequency surface acoustic wave device based on thin-film piezoelectric interdigital transducers // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 1757-1759.

14. Gnewuch H., Pannel C.N., Ross G.W. Nanosecond response of Bragg deflectors in periodically poled LiNbO3 // IEEE Phot. Technol. Lett. 1998. V. 10. Р. 1730-1737.

15. Volk T.R., Simagina L.V, Gainutdinov R.V., Tolstikhina A.L., Ivleva L.I. Ferroelectric microdomains and microdomain arrays recorded in strontium-barium niobate crystals in the field of atomic force microscope // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 042010-8.

16. Chin Y., Gopalan V. // J. Lightwave Technol. 1999. V. 17. № 3. Р. 462-469.

17. Kitaeva G.Kh. Visible and infrared dispersion of the refractive indices in periodically poled and single domain Nd:Mg:LiNbO3 crystals // Phys. Rev. A. 2007. V. 76. P. 043841-4.

18. Yamada M., Nada N., Saitoh M., Watanabe K. First-order quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue secondarmonic generation // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 5. P. 435-439.

19. Дмитриев В.Г., Юрьев Ю.В. Некоторые особенности генерации второй гармоники в кристаллах с регулярной доменной структурой // Лазерные новости / Laser News. 1999. С. 23-38.

20. Myers L.E., Eckardt R.C., Fejer M.M., Byer R.L., Bosenberg W.R., Pierce J.W. Quasiphase-matched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO3 // J. Opt. Soc. Am. B. 1995. V. 12. № 11. P. 2102-2116.

21. Beckmann T., Linnenbank H., Sturman B., Sturman B., Haertle D., Buse K., Breunig I. Highly tunable low-threshold optical parametric oscilation in radially poled whispering gallery resonators // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. P. 143903-4.

22. Krutov V.V., Zasovin E.A., Mikhalevich V.G., Shchuka A.A. Formation of concentric rings of antiparallel domains in the nonlinear-optical ferroelectrics in the presence of an HF field // Laser Physics. 2007. V. 17. № 12. Р. 1441-1444.

23. Krutov V.V., Zasovin E.A., Mikhalevich V.G., Sigov A.S., Shchuka A.A. Formation of photon ferroelectric crystals with the use of quasi-standing acoustic waves // J. Communications Technology and Electronics. 2010. V. 55. № 9. Р. 1035-1043.

24. Krutov V.V., Zasovin E.A., Mikhalevich V.G., Sigov A.S., Shchuka A.A. Double pulse heterothermal technology for the formation of domain structures in ferroelectrics // Phys. Solid State. 2012. V. 54. № 5. Р. 965-967.

25. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А., Косинов А.А. Технологические параметры формирования сегнетоэлектрических микро- и нанодоменных структур акустоинтерференционным методом // Междунар. научно-техн. конф. «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2013), 2-6 декабря 2013 г. М.: МИРЭА. Ч.1. С. 139-142.

26. Krutov V.V., Sigov A.S., Shchuka A.A. Quick formation of micro- and nanodomain structures in ferroelectrics by microwave ultrasound interference // Ferroelectrics. 2015. V. 476. Is. 1. Р. 69-75.

27. Krutov V.V., Sigov A.S., Shchuka A.A. Formation of micro- and nanodomain structures in ferroelectric films by interfering hypersound // Doklady Physics. 2016. V. 61. № 7. Р. 332-334.

28. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Создание микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках с использованием упругих волн. Конструктивная дилемма рабочих частот // Междунар. научно-техн. конф. «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2016), 21-25 ноября 2016 г. М.: МИРЭА. Ч. 1. С. 10-14.

29. Fujimura M., Sohmura T., Suhara T. Fabrication of domain-inverted gratings in MgO:LiNbO3 by applying voltage under ultraviolet irradiation through photomask at room temperature // Electron. Lett. 2003. V. 39. P. 719-721.

30. Kintaka K., Fujimura M., Suhara T., Nishihara H. Fabrication of ferroelectric omaininverted gratings in LiNbO3 by applying voltage using etched-Si stamper electrode // Electron. Lett. 1998. V. 34. № 9. Р. 880-882.

31. Ito H., Takyu C., Inaba H. Fabrication of periodic domain grating in LiNbO3 by lectron beam writing for application of nonlinear optical processes // Electron. Lett. 1991. V. 27. Р. 1211-1213.

32. Коханчик Л.С., Иржак Д.В. Формирование РДС и особенности переключения спонтанной поляризации в кристаллах LiTaO3 при дискретном облучении электронами // ФТТ. 2010. Т. 52. № 2. С. 285-289.

33. Dierolf V., Sandmann C. Direct-write method for domain inversion patterns in LiNbO3 // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. № 20. Р. 3987-3990.

34. Шур В.Я., Кузнецов Д.К., Пелегов Д.В., Пелегова Е.В., Осипов В.В., Иванов М.Г. Поверхностные самоподобные нанодоменные структуры, индуцированные лазерным облучением в ниобате лития // ФТТ. 2008. Т. 50. № 4. С. 689-695.

35. Shur V.Ya., Shishkin E.I., Nikolaeva E.V., Nebogatikov M.S., Alikin D.O., Zelenovskiy P.S., Sarmanova M.F., Dolbilov M.A. Study of nanoscale domain structure formation using Raman confocal microscopy // Ferroelectrics. 2010. V. 398. Is. 1. Р. 91-97.

36. Антипов В.В., Блистанов А.А., Сорокин Н.Г., Чижиков С.И. Формирование регулярной доменной структуры в сегнетоэлектриках LiNbO3 и LiTaO3 вблизи фазового перехода // Кристаллография. 1985. Т. 30. № 4. С. 734-739.

37. Коханчик Л.С., Бородин М.В., Шандаров С.М., Буримов Н.И., Щербина В.В., Волк Т.Р. Периодические доменные структуры, сформированные электронным лучом в пластинах LNbO3 и планарных волноводах Ti : LiNbO3 Y-ориентации // ФТТ. 2010. Т. 52. № 8. С. 1602-1609.

38. Кравцов Н.В., Лаптев Г.Д., Морозов Е.Ю., Наумова И.И., Фирсов В.В. Квазисинхронное самоудвоение частоты в лазере на Nd:Mg:LiNbO3 с регулярной доменной структурой // Квантовая электроника. 1999. Т. 29. № 2. С. 95-101.

39. Евланова Н.Ф., Наумова И.И. Периодические доменные структуры в кристаллах LiNbO3:Y, выращенных методом Чохральского // ФТТ. 2000. Т. 42. № 9. С. 1678-1681.

40. Моро У. Микролитография. Принципы, методы, материалы: в 2-х ч. М.: Мир, 1990. 630 с.

41. Вейко В.П. Лазерная литография // Итоги науки и техники. Физические основы лазерной и пучковой технологии. Т. 3. М.: ВИНИТИ, 1989. С. 40-56.

42. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А. Термоинтерференционный принцип формирования регулярных доменных структур в сегнетоэлектриках // Радиотехника. 2007. № 9. С. 5-10.

43. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А. Биимпульсная гетеротермальная технология формирования доменных структур // XIX Всерос. конф. по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XIX). Москва, 20-23 июня 2011 г. Сб. тезисов. С. 225.

44. Крутов В.В., Михалевич В.Г., Щука А.А. Создание нанодоменных периодических структур в сегнетоэлектриках на интерферирующих оптических волнах // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 3. С. 71-73.

45. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А. [и др.] Формирование фотонных сегнетоэлектрических кристаллов с помощью интерференции упругих волн на +Z-поверхности // Материалы XIV Междунар. научно-техн. конф. «Высокие технологии в промышленности России». Москва, 11-13 сент. 2008 г. М.: ЦНИТИ «Техномаш». С. 133-145.

46. Крутов В.В. Образование регулярных доменных структур при воздействии упругих волн на поверхность сегнетоэлектрика // Нелинейный мир. 2012. № 3. С. 137-146.

47. Krutov V.V. Formation of photonic crystals using elastic waves amplified by the double frequency electromagnetic field // Physics of Wave Phenomena. 2010. V. 18. № 3. Р. 167-171.

48. Krutov V.V., Mikhalevich V.G., Sigov A.A., Shchuka A.A., Zasovin E.A. Periodical poling in ferroelectrics on temperature grids in presence of acoustic waves // The Third Int. Symp. «Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics», Ural State University, Ekaterinburg, Russia, September 13-18, 2009. Р. 88-89.

49. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А. Акусто-интерференционный метод формирования фотонных сегнетоэлектрических кристаллов (+Z-модификация) // Материалы Междунар. конф. «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного и оптоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2009). Москва, 5-7 декабря 2009 г. М.: МИРЭА, 2009. С. 109-112.

50. Malyshkina O.V., Movchikova A.A., Kalugina O.N., Daineko A.V. Determination of thermal diffusivity coefficient of thin films by thermal square wave method // Ferroelectrics. 2011. V. 424. Р. 28-35.