Автореферат (Локальный отжиг излучением фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона и нелинейно-оптическая диагностика микроструктур цирконата-титаната свинца на платинизированной подложке), страница 4

ед.100080080060060040040020020000-2-1012Расстояние, мкмгедРис. 4. Линейно-оптические (на длине волны 800 нм) (а, г) инелинейно-оптические (ГВГ, на длине волны 400 нм) (б, д)микроскопические изображения областей, отожженных при плотностимощности 1 МВт/ см2 (верхние панели) и 1.5 МВт/ см2 (нижние панели). (в) и(е) – соответствующие сечения изображений: черные и синие кривые –сечения линейных и ГВГ изображений, соответственно.Были измерены значения нелинейной восприимчивости отожженныхобластей.Установлена максимальная величина нелинейно-оптическойвосприимчивости отожженной микроструктуры 98±5 пм/В, что соответствуетэкспериментальным значениям для этой величины в пленке, отожженнойизотермически в печи 80±5 пм/В.В разделе 4.5 приведены результаты исследований функциональныхпараметров (переключаемости диэлектрической поляризации) методоматомно-силовой микроскопии в пьезомоде.

Минимально достигнутыйлатеральный размер переключаемой перовскитной микроструктуры,полученной методом фемтосекундного лазерного отжига составляет 3 мкм.В разделе 4.6. проведено сопоставление результатов исследованиякинетики отжига и морфологических и функциональных исследований.Причиной насыщения ВГ может служить ингибирование кристаллизации19ЦТС за счет резкого увеличения энергии активации кристаллизацииблагодаря большим растягивающим напряжениям в аморфных областях,окружающих кристаллизованные участки [7]. Такие напряжения возникаютза счет увеличения плотности кристаллизованного материала (уменьшенияего объема) по сравнению с объемом исходной аморфной фазы [8].После выключения отжигающего излучения (при t = A, рис.

2а),происходит резкое (на временах порядка или меньше 0.1 с) охлаждение (докомнатной температуры) структуры, включая и пленку ЦТС, и слой Pt, исоответствующее резкое уменьшение их объема. Благодаря большемукоэффициенту теплового расширения, слой Pt сжимается сильнее, так чтопленка ЦТС испытывает ударное сжимающее напряжение. Можнопредположить, что это ударное уменьшение энергии активации запускаетмедленную волну взрывной кристаллизации, распространяющуюся в областьЦТС от областей перовскитной фазы.

Оценки показывают, что критическаятемпература зажигания и распространения такой волны [1], благодаряогромной величине скрытой теплоты кристаллизации PZT и деформационноиндуцированному уменьшению энергии активации может быть нижекомнатной температуры. В этих условиях волна кристаллизации (волнапереброса фазы) может распространяться в аморфную область прикомнатной температуре за счет выделения скрытой теплоты кристаллизациина ее фронте. Это объясняет наличие участка медленного роста сигнала ВГпосле выключения облучения.

Описанный эффект ярко выражен для случаякороткого времени отжига A1 (Рис.2а).Увеличение времени отжига до A2 (рис. 2 b) приводит к уменьшениюсигнала ВГ. Уменьшение сигнала ВГ может быть связано с тем, что в центрепятна, где температура максимальна, может происходить «пережигание»пленки с образованием трещин и других дефектов. Можно предположить,что,при«переотжиге»,образующиесядефектыдемпфируютраспространение волны кристаллизации.Результаты ex-situ исследований находятся в соответствии срезультатами исследования кинетики отжига. При этом переключениенаблюдалось в образцах, для которых нелинейная восприимчивостьсоставляла от 50 до 98 пм/В. Именно эта характеристика наряду с круглойформой отожженной области определена нами критерием качестваотожженных микроструктур.В пятой главе приведены результаты моделирования.20В разделе 5.1.

приведены результаты расчета 3D температурногопрофиля с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics.В пакете COMSOL расчет температуры проводится в следующеймодели, в которой использована аксиальная симметрия. Граничные условиясоответствовали естественному отводу тепла от внешних поверхностей.Расчёт проводится методом конечных элементов.Математическая модель теплопроводности описывается уравнением:,(14)где- плотность, Сp - теплоёмкость, T - температура, t - время,теплопроводность, Qext - источник тепла, U - поле скоростей.Отток тепла в окружающую среду был учтён следующимсоотношением:,теплоотдачи.где h – коэффициентЕго значениеравным 1 КВт/(м2 * К).Источник тепла был выбран в слое платины (рис 2.16)было(15)заданоРис. 5.Температурный профиль структуры PZT/Pt/SiO2/SiВ раздел 5.2.

проведена моделирование процессов отжига в моделиCDT и аппроксимация временных зависимостей интенсивности второйгармоники в рамках этой модели.21Показано, что при взрывной кристаллизации интенсивность второйгармоники определяется сверткой площади перовскитной фазы,определяемой в момент времени t координатой фронта волны переброса,описываемой выражением (9), рис. 6 (а), и пространственного распределенияплотности мощности падающего излучения (гауссовой формы с амплитудойА0 полной шириной на полувысоте w): Vt A0 r2   Vt I (t )    exp   2 dt   A02  Erf  w w  0 w,2(16)аппроксимация представлена на рис. 6 (б).

В случае медленной(самоподдерживающейся)кристаллизациивременнаязависимостьинтенсивности ГВГ определяется выражением (5), аппроксимацияпредставлена на рис. 6 (в).Таким образом, показано, что процесс многоимпульсногофемтосекундного лазерного отжига сегнетоэлектрика на металлизированнойподложкеописываетсякристаллизационно-деформационно-тепловоймоделью (CDT). С использованием этой модели получено, что присверхмалых временах отжига (до 1 с) процесс кристаллизации проходитдвухстадийно.

Первая стадия («быстрая») соответствует взрывнойкристаллизации в результате быстрого перегрева образца в началеоблучения. При этом в пленке возникает волна переброса температуры,распространяющаяся вдоль радиуса лазерного пятна, определяющая переходиз аморфной фазы в кристаллическую. Вторая («медленная») стадия отжига,возникающая после прекращения облучения, может объяснятьсявозникновением ударного сжимающего напряжения при остывании за счетразных коэффициентов теплового расширения пленки и платиновогоэлектрода. В этих условиях волна кристаллизации (волна переброса фазы)может распространяться в аморфную область при комнатной температуре засчет выделения скрытой теплоты кристаллизации на ее фронте.22814(б)I WL , arb.

units68622102A = 1.3;V = 1.5 мкм/с;S=1142(в)12I WL , arb. units(а)2k=0.842A000,00,20,40,60,81,0Time, s0123456time (s)Рис. 6. (а) Схематическое изображение распространения волны переброса,а также взаимное расположение области кристаллизованной к моменту tобласти и лазерного пятна, представленного в виде Гауссовой функции;аппроксимацияэкспериментальныхвременныхзависимостей,представленных на рис. 2, в рамках рассматриваемой модели в случаевзрывной (б) и самоподдерживающейся (в) кристаллизации.В заключении диссертации перечислены основные результатыдиссертационной работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВ соответствии с поставленной целью и задачами исследования подиссертационной работе выполнены комплексные исследования процессаотжига микроструктур PZT на платинизированной кремниевой подложке, какв процессе отжига, так и по его результатм:1.

Разработана методика локального отжига излучением фемтосекундноголазера ближнего инфракрасного диапазона микроструктур цирконататитаната свинца в пленке, предварительно осажденной методомвысокочастотного магнетронного распыления на «холодную»платинированную кремниевую подложку, установлены пределыпараметров лазерного излучения, обеспечивающих кристаллизацию всегнетоэлектрическую фазу.2.

Разработана методика мониторинга кинетики кристаллизации in-situ впроцессе лазерного отжига для формирования локальных областейперовскитной фазы в сегнетоэлектрических тонких пленках цирконататитаната свинца.233. Разработанаметодикадиагностикикачестваотожженныхмикроструктур на основе микроскопии генерации второй гармоники,показано соответствие областей свеличиной нелинейнойвосприимчивости, совпадающей с аналогичной величиной для пленки,изотермически отожженной в печи, с областями переключаемойдиэлектрической поляризации; таким образом показана достаточностьнелинейно-оптической диагностики для определения качествасегнетоэлектрической микроструктуры.4. Проведены исследования влияния параметров лазерного излучения(плотности мощности, длины волны) и времени отжига на процесскристаллизации, структуру и функциональные (сегнетоэлектрические)свойства отожженных микроструктур.5.

Определены величины нелинейной восприимчивости отожженныхмикроструктур, проведено сравнение с пленками ЦТС, отожженнымиизотермически в печи.6. Установлены критерии качества отожженных сегнетоэлектрическихмикроструктур на основе нелинейно-оптической диагностики,сформулированные следующим образом: по пространственномураспределению – гауссов профиль сечения интенсивности второйгармоники по площади отожженной области; величина нелинейнойвосприимчивости в максимуме (в центре) отожженной областисоставляет от 30 до 80 пм/В.7. Исследованы возможные механизмы кристаллизации при отжигемикроструктур фемтосекундным лазерным излучением, установленасвязь между параметрами лазерного излучения и температуройплатиновой подложки, являющейся источником тепла; установлено,что по мере увеличения плотности мощности лазерного излучения итемпературыподложкивначалепроисходитдвухстадийнаякристаллизация (первая происходит по взрывному типу и описываетсяв рамках модели CDT, вторая описывается в рамках моделигомогенной кристаллизации); затем происходит одностадийнаявзрывная кристаллизация, описываемая в рамках модели CDT, и,наконец, происходит «переотжиг», заключающийся в переходе откристаллизации взрывного типа на краях к абляции в центре лазерногопятна.24Список цитируемой литературы1.