Периодические доменные структуры (ПДС)

Периодические структуры с изменяющимися от слоя к слою набором электрических, оптических, упругих или пьезоэлектрических характеристик сформированными в диэлектрических материалах, представляют определенный интерес. Он связан с возможностью их применения для генерации или преобразования частоты оптического или акустического излучения. Периодические и квазипериодические структуры обладают локализацией электронных состояний, оптических и упругих свойств.

Фотонные кристаллы - это класс диэлектрических материалов с одно- двух – и трехмерными периодическими структурами. Основной особенностью является зависимость коэффициента пропускания или отражения электромагнитных волн от параметров периодической структуры. Частотные интервалы полного пропускания или отражения определяются кратностью периода структуры длине соответствующей волны.

Фотонная запрещенная зона –это зона в спектре энергий в которой коэффициент пропускания практически равен нулю.

Фононные кристаллы – кристаллы с периодической структурой состоящей из чередующихся областей с различными значениями модулей упругости или пьезоэлектрических модулей. Другое название этих периодических структур – оптические и акустические сверхрешетки.

В линейном приближении для одномерного структуры приложение внешних электрических поля или магнитного поля создает перестройку фотонного спектра.

При распространении электромагнитной волны через двумерную сверхрешетку сложная картина разрешенных и запрещенных зон при условии равных периодов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Заштрихованные полосы соответствуют запрещенным зонам спектра двумерной сверхрешетки с периодом D/см рис 309 игн.

Во второй половине 1980 –х годов были разработаны новые способы формирования периодических доменных структур (ПДС) в ряде кислородооктаэдрических сегенетоэлектриков (ниобат лития , танталат линития , титанат бария ). В сегнетоэлектриках ПДС образуют домены с поляризацией, инвертированной по отношению к первоначально существовавшей однородной спонтанной поляризацией, и домены, сохраняющие направление спонтанной поляризации. Обычно формируется ПДС с антипараллельной ориентацией доменов «голова к хвосту» или «голова к голове» см рис309игн Домены в ПДС имеют размеры от миллиметров до десятков нанометров. ПДС, сформированные в сегнетоэлектриках, используют для преобразования когерентного оптического излучения во вторую гармонику, и для генерации и преобразования акустических колебаний. Главной проблемой практического использования периодических доменных структур является большая величина напряженности электрического поля для изменения размеров доменов в них.

Квазипериодические доменные структуры (КПДС) в сегнетоэлектриках образованы системой антипараллельных () доменов отличающихся своими размерами. В таких системах фазовое согласование между первой и второй гармониками зависит от разности размеров доменов. Генерация оптической или акустической второй гармоники происходит в более широком диапазоне частот.

Методы формирования индуцированных доменов и периодических доменных структур в сегнетоэлектриках.

Образование -ных доменов в оксидных сегнетоэлектриках связано с нецентральносимметричным расположением катионов металлов относительно подрешетки анеонов кислорода. Направление смещения катионов определяет направление вектора поляризации в домене. Из одного положения в другое тоже несимметричное. Методы переполяризации разделяются на использующие внешние электрические поля и использующие градиенты внутренних электрических полей.

Метод формирования ПДС внешним полем состоит в предварительном нанесении системы полосовых электродов на поверхность тонких образцов(толщина ).перпендикулярных осям поляризации. рис 311. Прикладывалось к электродам электрическое поля, обратного по знаку полю поляризации, и превышающего его по величине. Возникала структура инвертированных доменов типа «голова к хвосту». Глубина доменов была пропорциональна времени воздействия и напряженности приложенного поля. Грани доменов были параллельны оси поляризации. Наиболее эффективным является приложение импульсов электрического поля.

Минимальные размеры доменов составляют 1-10 мкм в пластинах толщиной до0,5 мм. Рис 311. Пробой между электродами преодолевался использование жидких электролитических контактов. Вначале домены в виде острых игл наноразмеров образуются возле электродов, затем начинается их выстраивание по всему объему. В ниобате лития формировались полосовые домены с шириной менее 100 нм и цепи круглых и треугольных доменов диаметром 30-50 нм с линейной плотностью до .

Методы образования ПДС во внутренних полях состоят в создании области пространственного заряда путем сканирования поверхности сегнетоэлектрика узким электронным пучком или ионным пучком с диффузией протонов или ионов металла (титана). Образующееся при этом электрическое поле направленное навстречу полю спонтанной поляризации создает инверсию поляризации, особенно при высоких температурах.