НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 6, с. 669-674
УДК 66.046.522
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ДОМЕНОВ ПОД ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ В СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ LiNbO3:Mg © 2015 г. Л. С. Коханчик*, Е. В. Емелин*, М. Н. Палатников**
*Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, Черноголовка **Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦРоссийской академии наук, Апатиты e-mail: mlk@iptm.ru Поступила в редакцию 21.07.2014 г.
Изучены особенности доменных структур, формирующихся при электронно-лучевом облучении поверхности Z срезов в кристаллах LiNbO3:Mg. Обнаружено, что концентрация примесей и способ легирования влияют на форму и количество доменов, формирующихся в зоне внедряемого в поверхность кристалла электронного заряда. Управляемое формирование доменов и доменных структур при электронно-лучевой записи было достигнуто только в образцах с концентрацией магния ниже пороговой и в образцах LiNbO3:Mg,Fe. Полученные экспериментальные результаты обсуждаются с учетом различий в дефектной структуре и механизмах электронной проводимости исследованных образцов.
DOI: 10.7868/S0002337X15060081
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее распространенным способом создания периодических доменных структур микронных периодов в ниобате лития [1] является полевой метод — приложение внешнего электрического поля к системе регулярных металлических электродов [2]. В то же время возможность записи доменов электронным лучом может иметь значительные преимущества, особенно при создании структур субмикронных периодов [3]. Для увеличения порога оптического разрушения ЫМЪ03 используют легирование кристалла нефоторе-фрактивными примесями (М§, Zn и др.) [4]. В кристаллах, выращенных с добавкой магния, значительно снижается коэрцитивное поле (Ес), что облегчает процессы формирования доменных структур полевым методом [4]. При "пороговом" содержании магния (~5—5.5 мол. % М§0) Ес уменьшается в = 5 раз по сравнению с кристаллами конгруэнтного состава [5]. Однако формирование доменов в кристаллах порогового состава при электронном воздействии реализовывалось только после очень длительного облучения поверхности кристаллов 0№03:М§ [6]. Недостатком кристаллов "пороговых" составов является наличие неоднородности в распределении примесей. Улучшить качество кристаллов можно еще на стадии формирования легированной шихты. Структурная и оптическая однородность кристаллов 0№03:М§, выращенных из шихты, синтезированной с использованием прекурсоров №205:М§, была выше, чем у кристаллов, полу-
ченных с использованием прямого легирования [7, 8].
В данной работе проводится сравнительное исследование особенностей формирования доменных структур под воздействием электронного луча на поверхность кристаллов Ы№03:М§ (1.5 < < [М§0] < 5.38 мол. %), выращенных методом Чо-хральского из шихт синтезированных различными способами.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
При получении кристаллов Ы№03:М§ были использованы разные технологии: гомогенное легирование, легирование с использованием твердофазной лигатуры и прямое легирование шихты. Процессы получения прекурсоров №205:М§ и синтез гомогенно легированной шихты ниобата лития описаны в работах [7, 8]. Для получения твердофазной лигатуры Ы№03:М§ использовалась шихта ниобата лития с отношением Ы/№ = 0.946, которая смешивалась с М§0 в весовом отношении 9 : 1, нагревалась до 1250°С и подвергалась грануляции в течение 5 ч. Лигатура Ы№03:М§ смешивалась в необходимом весовом соотношении с гранулированной шихтой ниобата лития (см. [9]) и использовалась для выращивания кристаллов Ы№03:М§. При прямом легировании шихты смесь Ы2С03 + + №205 + М§О нагревается до температуры 1250°С и подвергается грануляции в течение 5 ч. Методика получения кристаллов ниобата лития описана в работе [10]. Анализ содержания примесей в
\
e-beam
0.5 мм
Рис. 1. Схема рисования электронным лучом по поверхности Z-среза.
шихте и кристаллах ниобата лития проводился на приборах ELAN 9000 DRC-e (МС ИСП) и "Спек-троскан Макс GV". Дополнительный контроль степени однородности вхождения примеси осуществлялся путем измерения температуры Кюри [11]. Были исследованы следующие кристаллы: № 1 -LiNbO3:Mg ([MgO] = 5.22 мол. % - твердофазная лигатура); № 2 - LiNbO3:Mg ([MgO] = 5.38 мол. % -гомогенное легирование); № 3 - LiNbO3:Mg ([MgO] = 5.15 мол. %, [Fe] = 0.007 мол. % - гомогенное легирование); № 4 - LiNbO3:Mg ([MgO] = = 1.5 мол. % - прямое легирование).
Для рисования электронным лучом образцы Z-срезов толщиной - 0.5 мм были вырезаны из монодоменных кристаллов перпендикулярно направлению [001]. Отрицательные поверхности Z-среза (-Z) облучались в растровых электронных микроскопах JEOL JSM-840 и Zeiss SEM-EVO 50 с литографической системой NanoMeiker. Схема рисований представлена на рис. 1. Применялись ускоряющие напряжения U0 = 5, 15 и 25 кВ, токи I — 0.1-5 нА. Периодичность облучаемых линий варьировалась от 7 до 15 мкм, размер областей рисования -500 х 500 мкм2. Формирующиеся доменные структуры исследовались после химического травления образцов в оптическом микроскопе "Аксиоплан 2".
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Кратко представим характерные особенности доменных структур, формирующихся в зоне рисования в кристаллах ниобата лития четырех разных составов. Типичные формы доменов, растущих на облучаемой (- Z ) поверхности образца 1, и их форма на противоположной (+Z) стороне представлены на рис. 2. Домены формировались при величине внедряемого электронным лучом заряда Q = 10 пКл, время облучения т = 20 мс. При всех используемых режимах облучения и
(а)
10 мкм
I_I
30 мкм
Рис. 2. Оптическое изображение типичных доменов, сформированных в зоне рисования электронным лучом по поверхности образца 1 — Ы№>03:М^ ([М^О] = = 5.22 мол. %); Щ = 15 кВ, I = 0.5 нА, Б = 1000 мкКл/см2: —Z-поверхность (а), те же домены на +Z-поверхности при меньшем увеличении (б).
способах рисования равномерной и управляемой записи доменов электронным лучом в образцах 1 не происходило. В образце 2, как и в образце 1, периодические доменные структуры не формировались. Распределение доменов в зоне рисований было хаотичным. Однако число мест, где зарождались отдельные домены, возросло. Домены имели четкую треугольную огранку, их размер
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ДОМЕНОВ ПОД ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ
671
> ч; : а
. * ■
■ I: \ : ■ j
(а) " . ■
• - о*1 V
' : л х % * ■
(б)
.1 н
■ О*':
10 мкм
Рис. 3. Оптическое изображение типичных доменов, формирующихся в зоне рисования электронным лучом по поверхности образца 2 — Ы№Ю3:М^ ([Мя0] = 5.38 мол. %); и0 = 15 кВ, I = 0.5 нА, Б = = 1000 мкКл/см2: —Z-поверхность (а), +Z-сторона образца (б).
=2 мкм. Форма доменов менялась, достигнув противоположной стороны: на облучаемой стороне — треугольная, а на противоположной, покрытой металлической пленкой, — шестиугольная. Характерное изображение доменов при той же величине внедряемого заряда представлено на рис. 3. Таким образом, в образцах 1 и 2 с близким содержанием примеси магния (чуть выше 5 мол. %), но выращенных из шихты, синтезированной разными способами, формирование доменов в зоне облучения электронным лучом было различным.
В образце 3, как и в образцах 1 и 2, концентрация магния достигла пороговых значений. Дополнительно в этот кристалл было добавлено железо. Типичные периодические структуры, сформированные в образце 3, представлены на рис. 4. В этом образце форма доменов почти округлая с нечетко выраженной гексагональной огранкой. Ширина линий, сформированных из отдельных
»
4
(а)
л
к ■
<
4. #
■
■ I!
¡1
/
в ■
1 1
Л
I 1
+
ч Ч
Ф
п
ч-
с. Р
I
\ % ■
£ з
¥
15 мкм
(б)
с
#
к
I
15 мкм
. :■ I-1
Рис. 4. Оптическое изображение периодических доменных линий, сформированных электронным лучом при рисовании по поверхности образца 3 — Ы№Ю3:М^ ([Мя0] = 5.15 мол. %, ре] = 0.007 мол. %); Щ = 15кВ, I = 0.5 нА, Б = 1000 меХл/см2: —Z-поверхность (а), +Z-сторона образца (б).
доменов, =2 мкм. Наиболее благоприятным режимом для рисования периодических доменных структур в образцах этой серии было ускоряющее напряжение микроскопа в 15 кВ и величина внедряемого заряда Q = 10 пКл. Отметим, что вертикальные доменные стенки в периодических структурах этого типа практически не имеют наклона, характерного для кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава [12], т.к. ширина периодических доменных линий примерно сопоставима на обеих (—Z и +Z) поверхностях образца.
Рисование электронным лучом по поверхности образца 4, в котором содержание магния много ниже порогового, показало, что домены под электронным лучом успешно формируются и выстраиваются в линии при величинах внедряемого заряда Q = 5 пКл (т = 10 мс). На рис. 5 показана типичная периодическая доменная структура,
II
шш
(б)
? ± н I I
" - . {10 мкм
Рис. 5. Оптическое изображение периодических доменных линий, сформированных электронным лучом при рисовании по поверхности образца 4 — LiNb0з:Mg ([М^О] = 1.5 мол. %); и0 = 15 кВ, I = 0.5 нА, Б = = 500 мкКл/см2: —Z-поверхность (а), +Z-сторона образца (б).
сформированная электронным лучом в образце 4. Эти режимы облучения были близки к условиям рисования периодических структур в стехиомет-рических кристаллах ниобата лития [13]. Доменные линии, как и в образцах стехиометрического состава, формировались из крупных (-5 мкм) доменов треугольной формы. При фронтальном прорастании до противоположной стороны пластины домены сужались до размеров 1—2 мкм и доменная линия становилась прерывистой.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Домены формировались под действием поля пространственного заряда, создаваемого электронным лучом в ниобате лития. Кинетика накопления зарядов в диэлектриках определяется совокупностью взаимосвязанных процессов (захвата и обратного рассеяния первичных электронов, эмиссии вторичных электронов, переза-
рядки электронных ловушек, радиационно-инду-цированного изменения проводимости и т.д.) [14, 15]. Имеющиеся модели зарядки диэлектриков при электронном облучении приводят к следующему выражению для кинетики формирования пространственного заряда [1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.