Metody digitální holografické interferometrie ve fyzice dielektrik

Transkript

1 Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Metody digitální holografické interferometrie ve fyzice dielektrik Pavel Mokrý

2 Otázka!? 11mm 15mm Tloušťka 1mm TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 2

3 Otázka!? Jak veliké by bylo 128 GB paměťové zařízení, kdyby se vyrobilo z elektronek? TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 3

4 Otázka!? Jak veliké by bylo 128 GB paměťové zařízení, kdyby se vyrobilo z elektronek? Kolik podlaží by měla budova o rozloze fotbalového hřiště pro uložení takového zařízení? a) 15 b) 55 c) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 4

5 Otázka!? Jak veliké by bylo 128 GB paměťové zařízení, kdyby se vyrobilo z elektronek? Kolik podlaží by měla budova o rozloze fotbalového hřiště pro uložení takového zařízení? a) 15 b) 55 c) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 5

6 Princip DRAM y (word line) y x (bit line) MOSFET D i DS =f(u G ) G S Konstrukce: FET Kondenzátor Kódování: 0: kondenzátor je vybitý Q 0 =0 C TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 6

7 Princip DRAM y (word line) x (bit line) MOSFET D i DS =f(u G ) G S y Q 1 =CU C U Konstrukce: FET Kondenzátor Kódování: 0: kondenzátor je vybitý 1: kondenzátor je nabitý Jednoduchá struktura dovolující vysoký stupeň integrace pomocí klasické CMOS technologie TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 7

8 Princip DRAM x (bit line) Kapacita: y (word line) G D S MOSFET y TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 8

9 Princip DRAM x (bit line) Kapacita: y (word line) G D S MOSFET y Y. Park and K. Kim, 2001 IEDM, Technical Digest, pp (Poskytnuto: Bryan H. Atwood, Hitachi Central Research Laboratory) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 9

10 Princip DRAM x (bit line) Kapacita: y (word line) G D S MOSFET y kondenzátory tranzistory Y. Park and K. Kim, 2001 IEDM, Technical Digest, pp (Poskytnuto: Bryan H. Atwood, Hitachi Central Research Laboratory) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 10

11 Materiály DRAM když musí Permitivita vybraných materiálů Materiál / 0 Třída Zmenšení Ta 2 O 5, Al 2 O 3 <4 Dielektrický >1 Al0/HfO >4 Dielektrický <1 Pb(Zr x Ti x-1 ) Feroelektrický 1/ TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 11

12 Feroelektrický materiál 1) Krystalová mříž feroelektrika může v určité teplotní oblasti existovat ve dvou lokálně stabilních uspořádání s rozdílným rozložením nábojů. 2) Stav feroelektrika lze změnit elektrickým polem TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 12

13 Feroelektrický materiál Titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT): Pb 2+ Ti 4+ O TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 13

14 Feroelektrický materiál Titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT): Pb 2+ Ti 4+ O TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 14

15 Dielektrické vlastnosti feroelektrik Permitivita v klencové fázi orientovaného monokrystalu BaTiO 3 Wang, Tagantsev, Damjanovic, Setter (2007) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 15

16 Dielektrické vlastnosti feroelektrik Permitivita v klencové fázi orientovaného monokrystalu BaTiO 3 Naměřeno Teorie Wang, Tagantsev, Damjanovic, Setter (2007) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 16

17 Dielektrické vlastnosti feroelektrik Permitivita v klencové fázi orientovaného monokrystalu BaTiO 3 Naměřeno Teorie Wang, Tagantsev, Damjanovic, Setter (2007) Příčinou zesílení dielektrické odezvy je existence doménové struktury TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 17

18 Doménová struktura Co to je? Obvyklá situace, kdy oba stavy krystalové mříže koexistují v jednom monokrystalu Feroelektrická doména je oblast, ve které je stav krystalové mříže stejný Feroelektrické domény TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 18

19 Aplikační význam doménových stěn Přítomnost doménových stěn je zodpovědná za mnoho zajímavých fyzikálních jevů, které mají důležité aplikační využití Seidel, et. al., 2010 Lee et. al., 2002 Doménové stěny zesilují odezvu materiálu na vnější působení Nelson, TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 19

20 Aplikační význam doménových stěn Mechanická odezva materiálu na smykové napětí Bez doménové stěny S 90 doménovou stěnou TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 20

21 Aplikační význam doménových stěn Mechanická odezva materiálu na smykové napětí Bez doménové stěny S 90 doménovou stěnou Jevy velmi zajímavé z hlediska základního výzkumu a důležité z aplikačního hlediska TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 21

22 Motivace Jak doménové struktury ovlivňují makroskopické vlastnosti? Přesná dielektrická měření Přesná měření geometrie domén TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 22

23 Motivace Jak doménové struktury ovlivňují makroskopické vlastnosti? Přesná dielektrická měření Dostupné Přesná měření geometrie domén Ne tak docela TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 23

24 Měření doménových struktur: 2D PFM (Piezoresponse Force Microscope) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 24

25 Měření doménových struktur: 2D Piezoresponse Force Microscope Stejná piezoelektrická odpověď na povrchu Odlišné uspořádání domén ve vzorku Nutnost 3D měření TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 25

26 Měření doménových struktur: 3D TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 26

27 Měření doménových struktur: 3D TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 27

28 Měření doménových struktur: 3D X ray computed tomography (X ray CT) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 28

31 Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 31

32 Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 32

33 Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? Je to možné? TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 33

34 Princip tomografie: Záznam Radonova transformace: R,, kde sin cos cos sin TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 34

35 Princip tomografie: Záznam Radonova transformace: R,, kde sin cos cos sin TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 35

36 Princip tomografie: Záznam sinogram TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 36

37 Princip tomografie: Rekonstrukce Filtrovaná zpětná projekce:, Kde je ramp filter TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 37

38 Princip tomografie: Rekonstrukce Filtrovaná zpětná projekce: TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 38

39 Tomografie feroelektrických domén Objekt Měření Digitální reprezentace Numerické zpracování TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 39

40 Tomografie feroelektrických domén Objekt Měření Chybí Digitální reprezentace Numerické zpracování Částečně TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 40

41 Tomografie feroelektrických domén Index lomu ve feroelektrikách závisí na rozložení nábojů v krystalové mřížce TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 41

42 Tomografie feroelektrických domén Index lomu ve feroelektrikách závisí na rozložení nábojů v krystalové mřížce 2 Δ Δ TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 42

43 Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 43

44 Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy 2 Δ Δ TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 44

45 Tomografie feroelektrických domén Jak změřit fázi optické vlny? vlnoplochy 2 Δ Δ TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 45

46 Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy Referenční vlna Δ Δ TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 46

47 Tomografie feroelektrických domén Mach-Zehnderův interferometr TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 47

48 Tomografie feroelektrických domén TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 48

49 Tomografie feroelektrických domén Skleněný držák Ti elektroda BT monokrystal ITO elektrody TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 49

50 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Tomografie feroelektrických domén TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 50

51 Tomografie feroelektrických domén x 2 ( m) 600 x 2 ( m) x 1 ( m) x 1 ( m) E = 0 V E = 400 V Příklady číslicově zaznamenaných interferometrických vzorů (digitálních hologramů) TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 51

52 Tomografie feroelektrických domén E = 2 kv/cm TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 52

55 Tomografie feroelektrických domén Deformaci vlnoplochy umíme změřit Může sloužit jako vstup pro tomografii? TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 55

56 Tomografie feroelektrických domén stínítko Numerické simulace: Vývoj vlnoplochy splňuje eikonálovou rovnici Fáze vlnoplochy na stínítku TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 56

57 Tomografie feroelektrických domén Původní rozložení indexu lomu Rekonstruované rozložení indexu lomu Numericky simulovaný sinogram TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 57

60 Take home messages 1. Miniaturizace kondenzátorů vyžaduje materiály s velkou permitivitou. 2. Co jsou to feroelektrika a doménová struktura. 3. Doménová struktura zesiluje makroskopické vlastnosti feroelektrik. 4. Doménovou strukturu lze na povrchu měřit pomocí PFM. Má to však nevýhody TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 60

61 Take home messages 1. V celém objemu krystalu lze domény rozlišit pomocí změny indexu lomu. 2. Nehomogenní index lomu deformuje procházející vlnoplochu optické vlny. 3. Deformaci vlnoplochy na stínítku lze měřit pomocí interferometrie. 4. Měření deformací vlnoplochy lze použít jako vstup pro tomografická zpracování holografických dat TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 61

62 The end... Děkuji za pozornost... Kontakt: Pavel Mokrý TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 62