Технология формирования сегнетоэлектрических регулярных доменных структур с использованием интерферирующих упругих волн

Цели. Работы в области доменной инженерии в сегнетоэлектриках ведутся во многих лабораториях мира. На протяжении ряда лет в РТУ МИРЭА проводятся исследования по созданию высокопроизводительной технологии формирования сегнетоэлектрических фотонных и фононных кристаллов. Технология характеризуется малой продолжительностью технологического цикла и обеспечивает необходимую глубину пространственно-периодического инвертирования доменов. Ключевым звеном технологии является комбинированное воздействие однородного электрического поля и интерферирующих упругих волн высоких частот, создающих температурную решетку. Технология имеет универсальный характер в отношении сегнетоэлектриков различной степени акустической прозрачности, что достигается путем использования сильно диссипативных жидких электродов определенной толщины. При этом энергия упругих волн практически не проникает в сегнетоэлектрик, что исключает проявление нежелательных эффектов. Цель настоящей статьи -анализ результатов работ, выполненных в РТУ МИРЭА, в области технологии формирования сегнетоэлектрических регулярных доменных структур (РДС) в период с 2008 г. по настоящее время.

Методы. Использованы положения теории распространения, преломления и интерференции упругих волн в конденсированных средах, в частности ньютоновская модель жидкости применительно к сдвиговым волнам, а также компьютерное моделирование. При рассмотрении основных этапов биимпульсной гетеро-термальной технологии формирования РДС применялись методы анализа и синтеза.

Результаты. Показана возможность формирования не только микро-, но также субмикронных РДС. Даны рекомендации по выбору типа и конкретных свойств жидких электродов, углов между направлением распространения интерферирующих волн, а также их частоты. Показано, что использование в качестве жидких электродов сильно диссипативных ионных жидкостей создает благоприятные условия для формирования РДС с малым периодом при комнатной температуре. Так, на сдвиговых волнах с электродами на основе LiPF6-PC на частоте 300 МГц могут быть созданы РДС с периодом около 2 мкм. Определены основные технологические параметры, как для случая воздействия продольных упругих волн, так и для случая сдвиговых волн с горизонтальной поляризацией. Результаты применимы к таким сегнетоэлектрикам как ниобат лития, титанил-фосфат калия, цирконат-титанат свинца.

Выводы. Предложенные и исследованные методы ориентированы на массовое производство устройств на основе РДС, в т.ч. на изготовление оптических параметрических генераторов, устройств акустоэлектроники, а также генераторов терагерцовых волн и генераторов второй оптической гармоники. Технология обладает малой продолжительностью технологического цикла, сопоставимой с временем переключения поляризации в используемом сегнетоэлектрике.

1. Sarin Kumar A.K., Paruch P, Marre D., Pellegrino L., Tybell T., Ballandras S., Triscone J.M. A novel high frequency surface acoustic wave device based on piezoelectric interdigital transducers. Integr. Ferroelectr. 2004;63(1):55-62. https://doi.org/10.1080/10584580490458621

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 Phys. Lett. 2013;10(5):055404-055409. https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/5/055404

3. 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 second-harmonic generation. Appl. Phys. Lett. 1993;629(5):435-437. https://doi.org/10.1063/1.108925

4. Krutov V.V., Shchuka A.A., Mikhalevich V.G. Acoustic dispersive filters and acoustic microwave emitters based on ferroelectrics with spatial modulation of piezoelectric modulus. Physics of Vibrations. 2001;9(4):274-279.

5. Есин А.А., Ахматханов А.Р., Павельев В.С., Шур В.Я. Скоростная модуляция поперечно-модового состава лазерных пучков с помощью дифракционных оптических элементов на основе LiNbO3. Компьютерная оптика. 2021;45(2):222-226. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-786

6. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Технология создания сегнетоэлектрических фотонных и фононных кристаллов. Russ. Technol. J. 2017;5(2):3-21. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-2-3-21

7. Коханчик Л.С., Иржак Д.В. Формирование регулярных доменных структур и особенности переключения спонтанной поляризации в кристаллах танталата лития при дискретном облучении электронами. Физика твердого тела. 2010;52(2):285-289.

8. Volk T., Gainutdinov R., Zhang H. Domain patterning in ion-sliced LiNbO3 films by atomic force microscopy. Crystals. 2017;7(5):1373-145. https://doi.org/10.3390/cryst7050137

9. Sones C.L., Muir A.C., Ying Y.J., et al. Precision nanoscale domain engineering of lithium niobate via UV laser induced inhibition of poling. Appl. Phys. Lett. 2008;92(7):072905-3. https://doi.org/10.1063/1.2884185

10. Shur V.Ya., Mingaliev E.A., Kosobokov M.S., Makaev A.V. Domain structure evolution under multiple pulse heating of lithium niobate by infrared laser. Ferroelectrics. 2020;560(1):79-85. https://doi.org/10.1080/00150193.2020.1722886

11. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А., Косинов А.А. Технологические параметры формирования сегнетоэлектрических микро- и нанодоменных структур акустоинтерференционным методом. В сб.: Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC-2013». 2013. Ч. 1. С. 139-142.

12. Krutov V.V., Sigov A.S., Shchuka A.A. Quick formation of micro- and nanodomain structures in ferroelectrics by microwave ultrasound interference. Ferroelectrics. 2015;476(1):69-74. https://doi.org/10.1080/00150193.2015.998522

13. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А., Кабин Д.В. Технология создания фотонных кристаллов с помощью интерференции упругих волн СВЧ диапазона. 18-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ техника и телекоммун. технологии». Сб. науч. статей. Севастополь, Украина: 8-12 сент. 2008 г. С. 793-794.

14. Крутов В.В., Засовин Э.А., Михалевич В.Г., Сигов А.С., Щука А.А. Биимпульсная гетеротермальная технология формирования доменных структур в сегнетоэлектриках. Физика твердого тела. 2012;54(5):908-910.

15. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Образование регулярных доменных структур в сегнетоэлектриках при воздействии однородного электрического поля и упругих волн: дилемма несущих частот. Прикладная физика. 2018;3:53-57. URL: https://applphys.orion-ir.ru/appl-18/18-3/PF-18-3-53.pdf

16. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Создание сегнетоэлектрических доменных структур с использованием ультразвука вблизи нижней границы СВЧ-диапазона. Прикладная физика. 2018;6:60-63. URL: https://applphys.orion-ir.ru/appl-18/18-6/PF-18-6-60.pdf

17. Shur V.Y., Rumyantsev E.L., Batchko R.G., Miller G.D., Fejer M.M., Byer R.L. Domain kinetics in the formation of a periodic domain structure in lithium niobate. Phys. Solid State. 1999;41(10):1681-1687. https://doi.org/10.1134/1.1131068

18. Huang L., Jaeger N. Discussion of domain inversion in LiNbO3. Appl. Phys. Lett. 1994;65(14):1763-1765. https://doi.org/10.1063/1.112911

19. Кайно Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М.: Мир; 1990. 652 c. ISBN 5-03-001434-9

20. Waterman P.C., Teutonico L.J. Ultrasonic double refraction in single crystals. J. Appl. Phys. 1957;28(2):266-270. https://doi.org/10.1063/1.1722721

21. Mott G. Reflection and refraction coefficients at a fluidsolid interface. J. Acoust. Soc. Am. 1971;50(3B):819-829. https://doi.org/10.1121/1.1912706

22. Ergin K. Energy ratio of the seismic waves reflected and refracted at a rock-water boundary. Bull. Seismol. Soc. Am. 1952;42(4):349-372. https://doi.org/10.1785/BSSA0420040349

23. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Акустоинтер-ференционный метод формирования микро- и нано-доменных структур в сегнетоэлектриках. В сб.: Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники: IV Международная научно-техническая конференция: сборник статей. Пенза; 2013. С. 5-8.

24. Kasper G., Tamm K. Sound propagation at GHz frequencies in aqueous LiCl solutions. J. Chem. Phys. 1980;72(9):5279-5289. https://doi.org/10.1063/1.439767

25. Каллаев С.Н., Омаров З.М., Билалов А.Р., Рабада-нов М.Х., Садыков С.А., Борманис К. Особенности теплофизических свойств релаксорной керамики на основе цирконата-титаната свинца. Физика твердого тела. 2009;51(7):1436-1438.

26. Сидоркин А.С., Нестеренко Л.П., Рябцев С.В., Сидоркин А.А. Частотная зависимость коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения в тонких сегнетоэлектрических пленках. Физика твердого тела. 2009;51(7):1277-1279.

27. Крутов В.В., Сигов А.С., Щука А.А. Создание микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектрических пленках с использованием интерферирующего гиперзвука. Доклады Российской Академии наук. Физика, технические науки. 2016;469(2):173-176. https://doi.org/10.7868/S0869565216200093

28. Bassignot F., Haye G., Henrot F., Ballandras S., Courjon E., Lesage J.-M. New radio-frequency resonators based on periodically poled lithium niobate thin film and ridge structures. In: 2016. IEEE International Frequency Control Symposium (IFCS). 2016:16302911. https://doi.org/10.1109/FCS.2016.7546793

29. Andreeva M.S., Andreeva N.P., Barashkov M.S., Mitin K.V., Shchebetova N.I., Krymskii M.I., Rogalin V.E., Akhmatkhanov A.R., Chuvakova M.A., Shur V.Ya. Optical parametric oscillator based on the periodically poled MgO:LN crystal with 4.1 цт wavelength and varied pulse duration. Ferroelectrics. 2016;496(1): 128-134. https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1155029

30. Myers L.E., Eckardt R.C., Fejer M.M., Byer R.L., Bosenberg W.R., Pierce J.W. Quasi-phase-matched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO3. J. Opt. Soc. Am. B. 1995;12(11):2102-2111. https://doi.org/10.1364/JOSAB.12.002102

31. Kasper G., Tamm K. Sound propagation at GHz frequencies in aqueous LiCl solutions. J. Chem. Phys. 1980;72(9):5279-5280. https://doi.org/10.1063/1.439767

32. Zorębski M., Zorębski E., Dzida M., Skowronek J., Jężak S., Goodrich P., Jacquemin J. Ultrasonic relaxation study of 1-alkyl-3-methylimidazolium-based roomtemperature ionic liquids: probing the role of alkyl chain length in the cation. J. Phys. Chem. B. 2016;120(14): 3569-3581. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b12635

33. Zorębski E., Zorębski M., Musiał M., Dzida M. Ultrasonic relaxation spectra for pyrrolidinium bis(trifluoromethyl-sulfonyl)imides: A comparison with imidazolium bis(trifluoro-methylsulfonyl)imides. J. Phys. Chem. B. 2017;121(42): 9886-9894. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b07433

34. 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;424(1):28-35. https://doi.org/10.1080/00150193.2011.623637

35. Li F., Wang Q., Miao H. Giant actuation strain nearly 0.6% in a periodically orthogonal poled lead titanate zirconate ceramic via reversible domain switching. J. Appl. Phys. 2017;122(7):074103-074109. https://doi.org/10.1063/1.4997940

36. Wang Q., Li F. A low-working-field (2 kV/mm), large-strain (>0.5%) piezoelectric multilayer actuator based on periodically orthogonal poled PZT ceramics. Sensors and Actuators A: Physical. 2018;272:212-219. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.01.042

37. Krutov V.V., Sigov A.S., Shchuka A.A. A technique for the formation of ferroelectric regular domain structures using highly dissipative electrically conductive liquids at room temperature. Ferroelectrics. 2020;559(1):120-127. https://doi.org/10.1080/00150193.2020.1722013

38. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics. London: Pergamon Press; 1959. § 24.

39. Greenwood M.S., Bamberger J.A. Measurement of viscosity and shear wave velocity of a liquid or slurry for on-line process control. Ultrasonics. 2002;39(9):623-630. https://doi.org/10.1016/S0041-624X(02)00372-4

40. Kielczyński P., Pajewski W. Transmission of SH plane waves obliquely incident at a plane interface between an elastic solid and a viscoelastic liquid. Acta Acust. United Acust. 1990;71(1):21-27.

41. Yamaguchi T., Yonezawa T., Yoshida K., Yamaguchi T., Nagao M., Faraone A., Seki S. Relationship between structural relaxation, shear viscosity, and ionic conduction of LiPF6/propylene carbonate solutions. J. Phys. Chem. B. 20156;119(51):15675-15682. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b08701

42. Yamaguchi T., Yoshida K., Yamaguchi T., Nagao M., Faraone A., Seki S. Decoupling between the temperaturedependent structural relaxation and shear viscosity of concentrated lithium electrolyte. J. Phys. Chem. B. 2017;121(37):8767-8773. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b04633

43. Yamaguchi T., Miyake S., Koda S. Shear relaxation of imidazolium-based room-temperature ionic liquids. J. Phys. Chem. B. 2010;114(24):8126-8133. https://doi.org/10.1021/jp1024137

44. Yamaguchi T., Nakahara E., Koda S. Quantitative analysis of conductivity and viscosity of ionic liquids in terms of their relaxation times. J. Phys. Chem. B. 2014;118(21):5752-5759. https://doi.org/10.1021/jp502631q

45. Kondo K., Sano M., Hiwara A., Omi T., Fujita M., Kuwae A., Yokoyama H. Conductivity and solvation of Li+ ions of LiPF6 in propylene carbonate solutions. J. Phys. Chem. B.20006;104(20):5040-5044.https://doi.org/10.1021/jp000142f

46. Umecky T., Kanakubo M., Makino T., Aizawa T., Suzuki A. Effect of CO2 dissolution on electrical conductivity and self-diffusion coefficients of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ionic liquid. Fluid Phase Equilib. 2013;357:76-79. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2013.05.023

47. Ohmachi Y., Uchida N. Temperature dependence of elastic, dielectric, and piezoelectric constants in TeO2 single crystals. J. Appl. Phys. 1970;41(6):2307-2311. https://doi.org/10.1063/1.1659223