Автореферат (1090572), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Пронин). Толщина13подложки составляла 300 мкм, толщина слоя оксида кремния 300 нм,толщина пленки платины (Pt) 80 нм.В разделах 2.2 и 2.3. приведено описание методики иэкспериментальных установок, используемых для отжига и нелинейно –оптической диагностики.В качестве источников лазерного излучения использовалисьфемтосекундный титан-сапфировый лазер («Авеста-Проект») с длинойволны 800 нм, длительностью импульсов 100 фс, частотой повторения 100MГц и иттербиевый лазер с частотой повторения 70 MГц. Длительностьоблучения при отжиге составляла от одной секунды до нескольких десятковминут.
Для фокусировки луча при отжиге и регистрации ГВГ с длиной волны400 нм использовался конфокальный микроскоп Alpha-300 (Witek). Прииспользовании фокусирующего объектива x40 (численная апертура NA=0.65)размер лазерного пятна на поверхности плёнки, оцененный как ширинаперетяжки, составляет 1 мкм. При этом при in-situ мониторинге процессаотжига сканирование лазерного пятна по образцу не проводилось.Использовалась двухлучевая схема с двумя параллельными лучами отжигающим и диагностирующим.
Плотность мощности отжигающего лучапринимала значение WA = 1,0 MВт/см2, диагностирующего – WD = 0.2MВт/см2. Отжиг и его регистрация проводились следующим образом: напути отжигающего луча устанавливался затвор, открывавшийся только навремя отжига А, диагностирующий луч попадал на образец в течение всеговремени эксперимента, генерация второй гармоники также регистрироваласьв течение всего времени эксперимента.Рис. 1.
Схема установки двулучевой диагностики процесса кристаллизации. 1– фемтосекундный лазер; 2 – делитель пучка; 3,4 – глухие зеркала; 5 –полупрозрачное зеркало; 6 – конфокальный микроскоп.14В разделе 2.4. приводится описание методик исследованияотожженныхмикроструктур.Дляконтроля результатовотжигаиспользовалась ex-situ конфокальная оптическая и нелинейно-оптическаямикроскопия. Для получения изображений образец сканировалсядиагностирующим лучом с длиной волны 800 нм с плотностью мощностиравной WD = 0.2 MВт/см2, при этом в линейной микроскопиирегистрировалось излучение на длине волны 800 нм, а в микроскопии ВГ –на длине волны 400 нм.
На рис. 1 представлена схема установки.Структура и морфология отожженных областей исследовалась припомощи растровой и просвечивающей электронной микроскопии, а такжеатомно-силовой микроскопии (в режиме топографии).Функциональные свойства исследовались методом атомно-силовоймикроскопии в пьезомоде, определялась переключаемость диэлектрическойполяризации при приложении электрического поля.Третья глава посвящена исследованию кинетики процессафемтосекундного лазерного отжига методом генерации второй гармоникипри двух длинах волн: 800 нм и 1040 нм.2Все зависимости интенсивности ВГ от времени I (t ) во время отжигаможно разделить на два типа: (i) - резкое возрастание сигнала ГВГ споследующим выходом на насыщение; (ii) – резкое возрастание сигнала ВГдо некоторого максимума с последующим его уменьшением и выходом напостоянное значение.
Зависимость типа (i), как правило, наблюдается принебольшом времени отжига при некоторой оптимальной плотностимощности. Зависимости типа (ii) могут наблюдаться при увеличении времениотжига (насыщение в некоторый момент переходит в уменьшениеинтенсивности ВГ), а также при увеличении плотности мощностиотжигающего излучения. Необходимо отметить также, что даже приодинаковых временах отжига и плотностях мощности лазера наблюдаетсязначительный разброс кинетических зависимостейпредставлены примеры зависимостей обоих типов.15I 2 (t ) .
На рис. 2.Рис.2. Экспериментальные зависимости нормированныхинтенсивностей ВГ от времени в процессе нагрева (0 < t < τA) ив процессе остывания (t > τA) при плотности мощностиотжигающего излучения с длиной волны 800 нм WA = 1MВт/см2, времена отжига τA1 = 1 с, τA2 = 10 с.Прималыхвременахоблученияипрекращенииотжига2непосредственно после выхода зависимости I (t ) на насыщение,наблюдается дальнейшее увеличение интенсивности ГВГ с ее выходом нанасыщение с новом значении интенсивности ГВГ.При использовании длины волны 1040 нм при более мягкойфокусировке аналогичные результаты были получены при меньшихплотностях мощности и больших временах.Качественно наблюдаемые зависимости можно объяснить следующимобразом.
До включения облучения, сигнал ГВГ от аморфной пленки ЦТСотсутствует. После включения отжигающего излучения (момент t = 0 наРис.2 а), за короткое время порядка 0.1 секунды, пленка PZT нагревается дотемпературы,обеспечивающейилипревышающейтемпературукристаллизации PZT, за счет оптического поглощения в слое Pt. На этихвременах происходит сверхбыстрая кристаллизация части материала пленкис переходом в нецентросимметричную перовскитную фазу, чтосопровождается резким подъемом сигнала ГВГ.
Такая сверхбыстраякристаллизация, по-видимому, происходит не по классическому механизмунуклеации и роста зародышей, работающему в условиях медленного (часы)печного изотермического отжига [5], а по механизму сверхбыстрой взрывнойкристаллизации PZT [6]. При такой кристаллизации из центра лазерного16пятнапоегорадиусураспространяетсяволнаперебросафазы2(пирохлор/перовскит). Насыщение зависимости I (t ) может быть связанокак с остановкой волны вследствие уменьшения температуры на перифериипятна, так и с геометрическим фактором (соотношение площадиэффективного диагностического лазерного пятна к площади отожженнойповерхности). Уменьшение интенсивности ГВГ со временем, скорее всегосвязано с деструктивными процессами при отжиге.Четвертаяглавапосвященаисследованиюморфологии,микроструктуры и сегнетоэлектрических свойств отожженных структур.В разделах 4.1.
и 4.2. представлены результаты исследованиятопографии и внутренней структуры отожженных областей.Отожженные области представляют собой кольца, каждое из которыхимеет на электронно-микроскопических изображениях различный цвет изернистость: внутренние части имеет более светлый цвет и более мелкуюзернистость (порядка 20-50 нм). На некоторых образцах центральная частьвыглядит пористой, в ней могут присутствовать трещины.Атомно-силовая микроскопия выявила наличие трех характерныхструктур в отожженных образцах: центральные области могли бытьвыпуклыми по сравнению с неотожженной пленкой, вогнутыми инеоднородными по высоте. Известно, что при кристаллизации вперовскитную фазу происходит усадка пенок ЦТС.
В связи с этим мысвязываем небольшую вогнутость сечения на изображениях АСМ спереходом в перовскитную фазу, выпуклость – с наличием отслоений отподложки, а остальные виды изображений – с «переотжигом», вызывающимдеструктивные изменения как в пленке ЦТС, так и в слое платины, вплоть доабляции.Для нескольких характерных отожженных структур былиосуществлена просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) в модахизображения и дифракционной. Измерения методом ПЭМ были выполнены вИК РАН О.М. Жигалиной с сотрудниками, подготовка образцов для ПЭМосуществлялась в НИЦ КАИ.
Из рис. 3 видно, что отжиг при плотностимощности 1.5 МВт/см2 приводит к формированию неоднородной структуры:в центре наблюдается разрушение границы раздела ЦТС/Pt, частицы платиныпопадают в толщу пленки и на ее поверхность. Дифракционная картинапоказывает наличие как пирохлорной, так и перовскитной фаз в этойобласти. На периферии отожженной структуры наблюдается образование17монокристалла размером 0.4 х 0.4 мкм с четко выраженной перовскитнойструктурой.Рис.
3. ПЭМ изображение структуры, отожженной при плотностимощности 1.5 МВт/см2 (слева) и дифракционные картины для двуххарактерных областей (справа).В целом, по результатам ПЭМ показано, что во всех случаях областькристаллизации представляет собой полусферическую область с центром наповерхности пленки. Имеются как большие (500 nm) так и маленькие (50 nm)кристаллиты перовскита, в некоторых случаях имелись пирохлорныевкрапления. При больших значениях плотности мощности наблюдаетсяотслоение пленки от нижнего слоя платины на некотором расстоянии по обестороны от области лазерного отжига, а также трещины и поры.
Этосвидетельствует о напряжениях и термическом расширении пленкиотносительно платиновой подложки.Результатыисследованияотожженныхобластейметодамисканирующей оптической микроскопии в линейном и нелинейном (ГВГ)режимах приведены в разделах 4.3 и 4.4, соответственно (рис.4). Приопределенной плотности мощности 1 МВт/см2 можно получить круглые ГВГи линейные изображения, сечения которых, однако, существенноразличаются (с максимумом для ГВГ и минимумом для 800 нм). Приувеличении плотности мощности в 1.5 раза площадь изображенийувеличивается и, кроме того, их характер меняется: и линейное и ГВГизображения в этом случае имеют минимум в центре.18100Интенсивность ГВГ, отн. ед.2507520015050100255000-2б-1012Расстояние, мкмав1000Интенсивность линейного сигнала, отн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
