Как управлять кристаллом?

...и превратить его в новый материал для современных лазеров, знают физики из УрФУ.

Сегнетоэлектрики – кристаллы, в которых благодаря переориентации ионов могут возникать области с определённой поляризацией (направлением электрического поля), которые называются доменами. Это явление аналогично ферромагнетизму, при котором в веществе возникают домены с определённой намагниченностью, что порождает постоянные магниты.

Сегнетоэлектрики нашли широкое применение в электронике и нелинейной лазерной оптике, в частности, для изготовления конденсаторов, пьезоэлектрических устройств, ячеек памяти, устройств модуляции и преобразования излучения лазеров. Последние могут, например, менять длину излучения лазера, превращая инфракрасное излучение в видимый свет. Они находят применение в проекционном телевидении, в волоконных лазерах для связи и других сферах.

Улучшение свойств сегнетоэлектриков и получение материалов с заданными свойствами требует глубокого понимания поведения доменов и их структур, а также разработки методов доменной инженерии, позволяющих получить нужную доменную структуру материала. Это позволит как улучшить существующие, так и разработать новые сегнетоэлектрические устройства.

Физики Института естественных наук и математики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) разработали технологию управления сегнетоэлектрической доменной структурой монокристаллов семейства PMN-PT с помощью электрического поля или электронного пучка. Это позволило на 40-70% улучшить их пьезоэлектрические, диэлектрические и нелинейно-оптические свойства. Разработанные исследователями методы микро- и нано-доменной инженерии позволяют управлять размером, величиной и ориентацией доменов и таким образом получать стабильную доменную структуру необходимой геометрии. Стоит отметить, они первыми в мире научились получать периодические доменные структуры.

Сегнетоэлектрические кристаллы из ниобата свинца и титаната свинца (PMN-PT) привлекают большое внимание исследователей благодаря своим выдающимся пьезоэлектрическим свойствам. К тому же этот материал относится к группе так называемых релаксоров, в которых возникновение доменов возможно в широком диапазоне температур в отличие от типичных сегнетоэлектриков. Отметим, что релаксоры были открыты отечественными физиками Г.А. Смоленским и В.А. Исуповым в 1950-е годы.

Данное исследование ведётся по гранту БРИКС совместно с китайскими физиками из университета города Сиань, которые выращивают необходимые для работы синтетические монокристаллы большого размера. Их диаметр достигает 10 см, а длина – 12 см. На выращивание одного такого кристалла требуется около месяца. Затем из него вырезают пластины, с которыми и работают уральские исследователи. Сначала они создают во всей пластине одинаковую поляризацию (монодоменное состояние), а затем, воздействуя на неё электрическим полем или электронным пучком при оптимальной температуре, создают регулярную полосовую доменную структуру необходимой геометрии. Важным фактором успешной работы оказалась разработанная система наблюдения эволюции доменной структуры с помощью оптического микроскопа со скоростной видеокамерой.

Статья с последними результатами исследования опубликована в журнале Applied Physics Letters. На следующем этапе работ китайские физики должны протестировать оптические свойства полученных кристаллов, и при их соответствии заданным критериям в следующем году изготовить прототипы преобразователей лазерного излучения.