Ученые сделали кардинальный шаг в развитии доменной инженерии

09:30, 27 сентября 2021

Результаты их работы будут полезны в биологических и медицинских исследованиях

Исследования эволюции доменной структуры проводятся под руководством Владимира Шура. Фото: Илья Сафаров.

Ученые УрФУ первыми в мире продемонстрировали и объяснили эффект преобразования одномерно растущих (1D) полосовых сегнетоэлектрических доменов в кристалле ниобата лития в цепи двумерно растущих (2D) изолированных доменов. Статья с описанием исследований опубликована в журнале Acta Materialia.

Пластинки монодоменного кристалла ниобата лития толщиной 0,5 мм последовательно облучали двумя импульсами инфракрасного лазера. При нагреве и последующем охлаждении в кристалле возникало сильное пироэлектрическое поле (все сегнетоэлектрики являются пироэлектриками). Под действием поля при охлаждении после первого импульса в облученной зоне на поверхности кристалла образовывались узкие полосовые домены с параллельными стенками, шириной меньше микрона и глубиной до 200 микрон. После облучения вторым импульсом полосовые домены превращались в регулярные цепочки изолированных круглых субмикронных доменов.

Объяснить удивительный эффект позволило получение трехмерного изображения доменов в объеме кристалла с использованием оригинальной методики визуализации доменных стенок с помощью оптической микроскопии, основанной на генерации второй гармоники — методе, предполагающем «накачку» импульса лазерного излучения.

Оказалось, что полосовыми на поверхности выглядят формирующиеся после первого импульса гребневые домены с регулярными зубьями. Было показано, что образование в объеме доменов зубьев с заряженными доменными стенками сопровождает удлинение полосовых доменов при охлаждении после облучения первым лазерным импульсом. При нагреве под действием второго импульса происходит расщепление гребенчатых доменов на изолированные конические, то есть превращение одномерных 1D доменов в двумерные 2D. Выявленный механизм самоорганизованного образования гребневых доменов и их последующей эволюции был подтвержден компьютерным моделированием.

«Известно, что полосовая доменная структура ферромагнетиков при воздействии импульса магнитного поля превращается в цилиндрические магнитные домены, так происходит переход доменов из одномерного — 1D — состояния в двумерное — 2D. Однако в сегнетоэлектриках, которые часто рассматривают как „электрический аналог ферромагнетиков“, такой эффект ранее не наблюдался. Вместе с тем в области сегнетоэлектриков активно развивается доменная инженерия — технологии создания стабильных доменных структур заданной геометрии для улучшения нелинейно-оптических и пьезоэлектрических свойств и создания устройств с рекордными характеристиками. Естественно, что исследование эволюции доменной структуры, управление формой доменов и получение самоорганизованных структур представляют исключительный практический интерес», — рассказывает Владимир Шур, руководитель лаборатории сегнетоэлектриков, профессор кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем, главный научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники УрФУ.

Создание 2D структур может быть использовано для источников электрического поля заданной геометрии, в частности, для совершенствования разработанного в лаборатории метода генерации и нанесения пиколитровых капелек жидкости, используемых в биологических и медицинских исследованиях, и в разработке портативного источника рентгеновского излучения.

Описанная работа — результат 40-летней научной деятельности Владимира Шура и созданной им лаборатории мирового уровня по изучению доменной структуры сегнетоэлектриков. Исследования проведены благодаря поддержке Российского научного фонда (проект № 19-12-00210) и с использованием оборудования Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.

Справка

Пироэлектрики — материалы, которые обладают спонтанной электрической поляризацией, что приводит к генерации поля при изменении температуры. Сегнетоэлектрики — подкласс пироэлектриков, у которых направление спонтанной поляризации можно изменять приложением внешнего электрического поля. Ферромагнетики — вещества, которые при определенных температурных условиях способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Ниобат лития хорошо изучен благодаря своим исключительным нелинейно-оптическим и пьезоэлектрическим свойствам и является таким же широко распространенным материалом оптоэлектроники, как кремний — в электронике. Ниобат лития используется в качестве модельного материала при исследовании доменных структур сегнетоэлектриков и кроме того, является наиболее популярным материалом для доменной инженерии.