电光晶体中亚微米周期畴结构的PFM极化制备及动力学演化研究

应用压电力显微镜（PFM），选定适当的工作条件在铁电材料中极化制备一维、二维周期畴结构，研究PFM极化方式下的尺寸限制问题，进一步制备出具有一定配位、构型的规则和复杂畴结构，考察配位、构型对阵列畴区生长和弛豫特性的影响，探索可实现最小周期畴阵列的决定性因素。结合畴区动力学理论，揭示PFM极化方式下特殊的电畴反转机制，以及空间配置对电畴演化过程影响的微观物理机制。实现规则、非规则小周期畴结构的PFM极化制备，结合铁电畴区动力学理论，分析和厘清特殊构型畴结构的生长和弛豫规律，为满足光通信高容量、同步性以及集成化的要求提供新的理论研究方向和器件设计方案。

铌酸锂以其优良的光电特性成为目前非线性光学与光电功能领域的重要基础材料。亚微米尺度周期畴结构的成功制备与其基本物性的全面分析对光电功能材料的短波长调制输出、功能器件的集成化和高频光学器件的发展具有十分重要的意义。本项目主要应用压电力显微镜（PFM）考察了铌酸锂晶体中一维、二维畴结构的生长和弛豫特性以及畴配位与畴构型对人工畴结构稳定性的影响并展开了相关的铁电畴动力学理论研究，主要成果包括：（1）制备系列一维条状畴结构，发现条状畴宽度随极化偏压的增大线性增加，随探针扫描速率的增大指数衰减；存在临界稳定畴宽度，小于此宽度的条形畴发生弛豫并在长度方向上首先体现；条形畴的临界稳定畴宽度与晶片厚度呈指数增长关系，与孤立点状畴的临界稳定畴直径类似，但尺寸略小；以一维条形畴为基本单元的条形畴阵列的最小周期约为临界稳定畴宽度的两倍，并随晶片厚度的增加指数增加。（2）在前期工作掌握了孤立点状畴生长与弛豫特性的基础上，制备了不同间距的点状双畴结构，发现双畴间距对点状畴的稳定性和独立性有重要影响，当畴间距小于点状畴半径两倍时，双畴融合；当畴间距大于两倍点状畴半径但小于点状畴半径与探针电场作用半径之和时，先制备的点状畴更加稳定而后制备的点状畴的生长受到抑制；畴间距进一步加大则双畴的生长相对独立，其生长和弛豫特性与孤立畴一致。（3）通过对样品厚度、极化电压、扫描速率、脉冲时间等制备参数的合理选择和优化，实现了亚微米周期条形及点状畴阵列的可控制备。（4）尝试制备方形、弧形和中心发散形等多种特殊构型的畴结构，通过采用无序状态理论等手段系统分析，厘清了铁电畴生长规律并深入认识了铁电畴生长动力学机制。项目执行期间完成论文35篇，其中SCI论文27篇。项目负责人于2012年11月获得国家杰出青年科学基金。