1. Стадии эволюции доменной структуры

Наблюдаемые изменения 180° доменной структуры сегнетоэлектриков при полном переключении поляризации из исходного монодоменного состояния в результате приложения внешнего электрического поля можно разделить на следующие основные стадии [Error: Reference source not found] (Рис. 1):

1. Зародышеобразование новых доменов

2. Прямое прорастание доменов в направлении полярной оси

3. Увеличение размеров доменов за счет бокового движения 180° доменных стенок

4. Коалесценция (слияние) доменов

Рис. 1. Основные стадии эволюции доменной структуры сегнетоэлектриков под действием внешнего электрического поля: (а) зародышеобразование, (б) прямое прорастание, (в) боковой рост, (г) коалесценция.

Необходимо отметить, что первые три стадии, фактически, являются индивидуальными стадиями эволюции каждого отдельного изолированного домена, в то время как последняя стадия коалесценции доменов относится к совместному развитию нескольких доменов. Это означает, что стадии могут быть разнесены по времени для разных доменов, например разрастание одних доменов может сопровождаться одновременным зародышеобразованием и прорастанием других. Далее будут подробно рассмотрены отдельные стадии перестройки доменной структуры сегнетоэлектриков.

а) Зародышеобразование

Стадия зародышеобразования (Рис. 1 а) является наиболее сложной для экспериментального исследования, поскольку при этом приходится иметь дело с наблюдением объектов (зародышей доменов) очень маленьких размеров. В этом смысле, с точки зрения экспериментатора под отдельным актом зародышеобразования понимают появление в области видимости микроскопа домена с наименьшим размером, какой только может быть увиден с помощью данной конкретной техники.

Экспериментально процесс зародышеобразования был впервые детально и количественно исследован в титанате бария BaTiO₃(BT) Стадлером и Захманидисом. Предпочтительными местами зародышеобразования являлись объемные и поверхностные дефекты (царапины) и края электродов. Зародышеобразование в BT происходит преимущественно на Z+ поверхности кристалла, поэтому при переключении поляризации в противоположных направлениях домены образуются на разных сторонах образца.

б) Прямое прорастание

Стадия прямого прорастания доменов в направлении полярной оси (Рис. 1 б) исследоваласьэкспериментально только качественно. При этом, как правило, исследовалось переключение в образцах, вырезанных параллельнополярной оси, а напряжение прикладывается к электродам, нанесенным на торцы образцов. В BT и триглицинсульфате (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄ (TGS) растущие домены имеют клиновидную (или игольчатую) форму. В BT движение фронта клиновидного домена от одного электрода к другому при переключении в постоянном внешнем поле происходит либо с постоянной скоростью, либо ускоренно. После того, как вершина домена достигает противоположной поверхности, доменные стенки, которые были заряженными в процессе фронтального роста, быстро изменяют свою ориентацию на параллельную полярной оси и становятся нейтральными.

в) Боковое движение доменной стенки

Поскольку толщина доменной стенки составляет несколько постоянных решетки, то энергия необходимая для ее смещения на одну постоянную решетки сравнима с энергией стенки (выигрыш в энергии при таком смещении много меньше энергии стенки). Следовательно, движение стенки такого типа как целого (параллельно самой себе) маловероятно. В такой ситуации единственной физической моделью, которая объясняет эксперимент, является модель Миллера и Вайнрайха [5], которая предполагает что, наблюдаемое боковое движение стенок вызвано зародышеобразованием и двумерным ростом ступенек на существующих доменных стенках.

г) Коалесценция изолированных доменов

В результате значительного роста нескольких доменов за счет бокового движения 180° доменных стенок наступает стадия коалесценции– слияния соседних изолированных доменов сопровождающегося аннигиляцией доменных стенок (Рис. 1г). Впервые стадия коалесценции была исследована Миллером при переключении поляризации вBT. Он обнаружил, что когда две 180° доменные стенки оказываются в непосредственной близости, они замедляют свое движение и останавливаются, в результате чего между ними формируется узкая, порядка 1 мкм область, которая через некоторое время мгновенно исчезает. Аналогичное поведение наблюдалось и вTGS, где сближение доменных стенок приводило к уменьшению их скорости и деформации, обращенных друг к другу участков доменных стенок (они становились параллельными в области контакта). Такое поведение принято связывать с электростатическим взаимодействием доменных стенок.