Metody digitální holografické interferometrie ve fyzice dielektrik

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

Otázka!? 11mm 15mm Tloušťka 1mm 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 2

Otázka!? Jak veliké by bylo 128 GB paměťové zařízení, kdyby se vyrobilo z elektronek? 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 3

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) 155 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 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) 155 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 5

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 6

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 7

Princip DRAM x (bit line) Kapacita: y (word line) G D S MOSFET y 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 8

Princip DRAM x (bit line) Kapacita: y (word line) G D S MOSFET y Y. Park and K. Kim, 2001 IEDM, Technical Digest, pp. 392 394.(Poskytnuto: Bryan H. Atwood, Hitachi Central Research Laboratory) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 9

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. 392 394.(Poskytnuto: Bryan H. Atwood, Hitachi Central Research Laboratory) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 10

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 )0 3 1000 Feroelektrický 1/200 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 11

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 12

Feroelektrický materiál Titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT): Pb 2+ Ti 4+ O 2 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 13

Feroelektrický materiál Titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT): Pb 2+ Ti 4+ O 2 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 14

Dielektrické vlastnosti feroelektrik Permitivita v klencové fázi orientovaného monokrystalu BaTiO 3 Wang, Tagantsev, Damjanovic, Setter (2007) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 15

Dielektrické vlastnosti feroelektrik Permitivita v klencové fázi orientovaného monokrystalu BaTiO 3 Naměřeno Teorie Wang, Tagantsev, Damjanovic, Setter (2007) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 16

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 17

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 18

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, 2009 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 19

Aplikační význam doménových stěn Mechanická odezva materiálu na smykové napětí Bez doménové stěny S 90 doménovou stěnou 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 20

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 21

Motivace Jak doménové struktury ovlivňují makroskopické vlastnosti? Přesná dielektrická měření Přesná měření geometrie domén 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 22

Motivace Jak doménové struktury ovlivňují makroskopické vlastnosti? Přesná dielektrická měření Dostupné Přesná měření geometrie domén Ne tak docela 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 23

Měření doménových struktur: 2D PFM (Piezoresponse Force Microscope) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 24

Měření doménových struktur: 2D Piezoresponse Force Microscope Stejná piezoelektrická odpověď na povrchu Odlišné uspořádání domén ve vzorku Nutnost 3D měření 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 25

Měření doménových struktur: 3D 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 26

Měření doménových struktur: 3D 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 27

Měření doménových struktur: 3D X ray computed tomography (X ray CT) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 28

Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 31

Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 32

Měření doménových struktur: 3D Může být podobný postup použit pro feroelektrické krystaly? Je to možné? 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 33

Princip tomografie: Záznam Radonova transformace: R,, kde sin cos cos sin 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 34

Princip tomografie: Záznam Radonova transformace: R,, kde sin cos cos sin 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 35

Princip tomografie: Záznam sinogram 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 36

Princip tomografie: Rekonstrukce Filtrovaná zpětná projekce:, Kde je ramp filter 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 37

Princip tomografie: Rekonstrukce Filtrovaná zpětná projekce: 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 38

Tomografie feroelektrických domén Objekt Měření Digitální reprezentace Numerické zpracování 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 39

Tomografie feroelektrických domén Objekt Měření Chybí Digitální reprezentace Numerické zpracování Částečně 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 40

Tomografie feroelektrických domén Index lomu ve feroelektrikách závisí na rozložení nábojů v krystalové mřížce 2 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 41

Tomografie feroelektrických domén Index lomu ve feroelektrikách závisí na rozložení nábojů v krystalové mřížce 2 Δ Δ 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 42

Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy 2 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 43

Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy 2 Δ Δ 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 44

Tomografie feroelektrických domén Jak změřit fázi optické vlny? vlnoplochy 2 Δ Δ 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 45

Tomografie feroelektrických domén vlnoplochy Referenční vlna Δ Δ 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 46

Tomografie feroelektrických domén Mach-Zehnderův interferometr 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 47

Tomografie feroelektrických domén 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 48

Tomografie feroelektrických domén Skleněný držák Ti elektroda BT monokrystal ITO elektrody 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 49

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Tomografie feroelektrických domén 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 50

Tomografie feroelektrických domén 0 0 200 200 400 400 x 2 ( m) 600 x 2 ( m) 600 800 800 1000 1000 0 200 400 600 x 1 ( m) 800 1000 0 200 400 600 x 1 ( m) 800 1000 E = 0 V E = 400 V Příklady číslicově zaznamenaných interferometrických vzorů (digitálních hologramů) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 51

Tomografie feroelektrických domén E = 2 kv/cm 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 52

Tomografie feroelektrických domén Deformaci vlnoplochy umíme změřit Může sloužit jako vstup pro tomografii? 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 55

Tomografie feroelektrických domén stínítko Numerické simulace: Vývoj vlnoplochy splňuje eikonálovou rovnici Fáze vlnoplochy na stínítku 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 56

Tomografie feroelektrických domén Původní rozložení indexu lomu Rekonstruované rozložení indexu lomu Numericky simulovaný sinogram 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 57

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. 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 60

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 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 61

The end... Děkuji za pozornost... Kontakt: Pavel Mokrý (pavel.mokry@tul.cz) 10. 2. 2017 TESEUS udržitelné a efektivní využívání zdrojů 62