WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 4 Влияние толщины образцов на электронную эмиссию из сегнетоэлектрического кристалла ТГС © А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова, А.С. Сигов Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия Московский институт радиотехники, электроники и автоматики, 117454 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 12 августа 1999 г.) Представлены результаты экспериментальных исследований эмиссии электронов из образцов номинально чистого кристалла триглицинсульфата различной толщины. Показано, что так же как и коэрцитивное поле, пороговое поле возникновения эмиссии растет с уменьшением толщины d образца обратно пропорционально d.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта № 2801 по программе ”Университеты России — фундаментальные исследования”.

Современный этап развития эмиссионной электрони- коэрцитивного поля Ec и порогового поля возникновения ки диктует потребность в поиске новых эмиссионных эмиссии Eth. В частности, в работах [7,8], посвященных материалов, в качестве которых хорошие перспективы изучению пороговых полей в триглицинсульфате, легиимеют сегнетоэлектрики. Действительно, оказывается, рованном примесью ионов хрома, было показано, что что эмиссия — это неотъемлемая часть релаксационных возрастание концентрации примеси вместе с ростом Ec процессов, сопровождающих практически любое изме- приводит к соответствующему увеличению порогового нение макроскопической поляризации сегнетоэлектриче- поля в температурном интервале 25-49C.

ских материалов [1–4].

Сравнительный анализ экспериментальных данных по Наиболее радикальным и, значит, обещающим макси- изучению Eth в слабом сегнетоэлектрике гептагерманате мальный эмиссионный эффект способом изменения ма- лития и обычном сегнетоэлектрике триглицинсульфате кроскопической поляризации сегнетоэлектрика является также подтверждает идею о корреляции порогового и его переключение [2]. К настоящему времени накоплен коэрцитивного полей [9]. Действительно, в слабых большой экспериментальный материал, свидетельствую- сегнетоэлектриках поле Ec очень высоко и составляет щий о связи эмиссии и процессов переполяризации сег- 5-25 kv / cm даже вблизи точки Кюри, что на 1-2поряднетоэлектриков. В частности, показано, что, во-первых, ка величины превышает значение коэрцитивных полей эмиссия наблюдается, как правило, только в сегнетоэлек- для классических сегнетоэлектриков. Подобное соотнотрической фазе, где существует спонтанная поляриза- шение обнаружено в эксперименте и между пороговыми ция. Во-вторых, она появляется только при изменении полями Eth, измеренными в слабых и обычных сегнетополярного состояния в образце. При воздействии на электриках в аналогичных условиях.

сегнетоэлектрический образец переменного электричеУчитывая, что коэрцитивное поле существенно завиского поля эмиссионный сигнал наблюдается только в сит от толщины исследуемых материалов, естественно том полупериоде изменения внешнего поля, когда вблизи предположить, что пороговое поле эмиссии также будет поверхности образца, являющейся активной в эмиссии, зависеть от толщины образца. Проверке данного предпопоявляется отрицательный нескомпенсированный элекложения и посвящена настоящая работа.

трический заряд [5].

Анализ совокупности указанных фактов показыва1. Методика эксперимента ет [1,6], что с наибольшей вероятностью причиной наблюдаемой эмиссии является суммарный нескомпен- и результаты сированный заряд, который появляется вблизи поверхности материала при изменении полярного состояния Как и в предыдущих работах, измерения плотности образца. тока эмиссии jem в данной работе были выполнены Взаимосвязь процесса переключения и эмиссии элек- стандартным методом [10] в вакууме 6.5 · 10-3 Pa. Все тронов из сегнетоэлектриков должна проявляться в измерения проводились на образцах полярного среза корреляции основных параметров, характеризующих монокристалла номинально чистого триглицинсульфата эти процессы. Проблема связи параметров переклю- (ТГС) с площадью 20-30 mm2 и толщинами в диапазоне чения и эмиссионных характеристик обсуждалась в 0.4-2 mm. Образцы имели электроды из сусального работах [7–9], где указывалось на наличие аналогич- золота. Эмиссия электронов измерялась в области заной зависимости от температуры, степени дефектности зора в ближнем к ВЭУ электроде. Ширина указанного образца, типа сегнетоэлектрика (слабый, обычный) для зазора составляла приблизительно 1 mm. В качестве 10 722 А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова, А.С. Сигов но соответствует температуре перехода в неполярное состояние Tc.

Для всех исследуемых температур коэрцитивное поле образца убывает при приближении к температуре фазового перехода, обращаясь в ноль в Tc. Как видно из сравнения температурных зависимостей коэрцитивного поля, рассчитанного по петлям диэлектрического гистерезиса для различных толщин исследуемых образцов (рис. 1), уменьшение толщины образцов приводит к соответствующему росту численного значения коэрцитивного поля во всем исследуемом интервале температур.

Рис. 1. Зависимости коэрцитивного поля Ec от температуры для образцов чистого монокристалла ТГС различной толщины:

d (mm): 1 — 0.45, 2 — 1.03, 3 —1.3, 4 — 1.98.

Рис. 3. Зависимость порогового поля Eth от толщины образцов чистого монокристалла ТГС при температуре 25C.

Рис. 2. Зависимости порогового поля Eth от температуры для образцов чистого монокристалла ТГС различной толщины:

d (mm): 1 — 0.45, 2 — 1.03, 3 —1.3, 4 — 1.98.

стимулирующего поля использовалось синусоидальное электрическое поле с амплитудой 5-5000 V / cm и частотой 50 Hz. Исследования проводились в температурном интервале 25-55C.

Проведенные измерения показали следующее.

Как и в предыдущих экспериментах, на всех исследованных образцах электронная эмиссия наблюдалась Рис. 4. Зависимость коэрцитивного поля Ec от обратной толтолько в сегнетоэлектрической фазе. Положение выщины образца для чистого монокристалла ТГС при различных сокотемпературной границы температурного интерватемпературах: T (C): 1 — 24, 2 — 27, 3 — 30, 4 — 35, 5 — 40, ла, в котором регистрировалась эмиссия, приблизитель- 6 — 45, 7 — 48.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Влияние толщины образцов на электронную эмиссию из сегнетоэлектрического кристалла ТГС равновесном состоянии при данной температуре поле связанных зарядов скомпенсировано свободными зарядами, притекающими к поверхности за счет собственной проводимости сегнетоэлектрического материала (которая всегда имеется в реальных кристаллах) или среды, в которой он находится. Нарушение баланса указанных зарядов, происходящее, например, при переполяризации образцов, приводит к возникновению электрического поля результирующего заряда в поверхностном слое, устанавливающегося в течение короткого времени обращения вектора Ps. При благоприятном направлении это поле может ускорять электроны и вызывать эмиссию.

Как уже отмечалось, переполяризация является одним из наиболее действенных способов создания нескомпенсированных зарядов на поверхности сегнетоэлектрика.

Для осуществления процесса переключения образца необходимо приложение внешних полей, превышающих коэрцитивное. Изменение величины коэрцитивного поля Рис. 5. Зависимость порогового поля Eth от обратной толщины Ec по какой-либо причине должно вызывать увеличение образца для чистого монокристалла ТГС при различных температурах: T (C): 1 — 24, 2 — 27, 3 — 30, 4 — 35, 5 — 38, вместе с ним и порогового поля эмиссии.

6 — 40, 7 — 44, 8 — 47, 9 — 48.

Как известно, коэрцитивное поле не является универсальным параметром материала, а зависит от целого ряда различных факторов, в том числе и от толщины образца. В большинстве теоретических моделей [11] Аналогичные экспериментальные зависимости полуи экспериментальных данных [12] отмечается обратчены и для порогового поля Eth возникновения элекно пропорциональная зависимость коэрцитивного поля тронной эмиссии. Так же как и коэрцитивное поле, Ac(T ) пороговое поле возникновения эмиссии является убы- Ec(d, T ) =Ec (T )+ от толщины образца. Как видно d из рис. 4, использование указанной зависимости позволявающей функцией температуры (рис. 2). Кроме того, наблюдается нелинейное возрастание (рис. 3) порого- ет описать и полученные в работе данные по кристаллу триглицинсульфата. При этом при комнатной темперавого поля возникновения эмиссии Eth с уменьшением толщины образцов во всем диапазоне температур, со- туре значения величин Ec и Ac равны 200 V / cm и 8 V ответствующем сегнетоэлектрической фазе. Обработка соответственно. С повышением температуры значения полученных зависимостей показывает, что пороговое величин Ec и Ac, характеризующих начальную ординату поле возникновения эмиссии, как и коэрцитивное поле, и угол наклона соответствующих прямых, уменьшаются.

растет при уменьшении толщины образца d обратно Согласно рис. 5 пороговое поле возникновения пропорционально d (рис. 4, 5). При этом отмечается эмиссии может быть описано аналогичной функцией Ath(T ) факт некоторого превышения пороговым полем значения 0 Eth(d, T ) =Eth(T ) +. Здесь Eth — гипотетическое d коэрцитивного поля Ec. Численное значение указанного значение порогового поля для бесконечно толстых образразличия не является постоянным для исследуемого цов, равное 270-300 V / cm при комнатной температуре.

материала и зависит от размеров образцов и, в частности, При приближении к точке фазового перехода данная от их толщины. Особенно сильно указанный эффект провеличина уменьшается, что, по-видимому, связано с анаявляется при исследовании тонких образцов, имеющих логичной зависимостью соответствующего слагаемого в толщину менее 1 mm.

коэрцитивном поле. Параметр Ath(T ) при комнатной температуре равен 70 V и также убывает при приближении к точке Кюри. Таким образом, характер поведения по2. Обсуждение полученных рогового поля эмиссии для образцов триглицинсульфата результатов различной толщины подобен зависимости коэрцитивного поля, что свидетельствует о взаимосвязи указанных Практически все полученные результаты согласуются величин.

с предлагаемой выше схемой, объясняющей возникновение эмиссии при изменении полярного состояния в сег- Определенное различие в поведении величин Ec и Eth нетоэлектриках освобождением зарядов из поверхност- не должно вызывать удивления, поскольку в формироных электронных состояний под действием поля неском- вании процесса эмиссии играет роль не просто пропенсированных зарядов. На поверхности сегнетоэлектри- цесс переключения, а факт создания при переключении ков имеется связанный поверхностный заряд, обуслов- поля нескомпенсированных зарядов, достаточного для ленный обрывом вектора спонтанной поляризации Ps. В эмиссии.

10 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 724 А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова, А.С. Сигов Список литературы [1] А.М. Косцов, А.С. Сидоркин, В.С. Зальцберг, С.П. Грибков.

ФТТ 24, 3436 (1982).

[2] Г.И. Розенман, В.А. Охапкин, Ю.Л. Чепелев, В.Я. Шур.

Письма в ЖЭТФ 39, 397 (1984).

[3] K. Biedrzycki. Phys. Stat. Sol. (A) 109, K79 (1988).

[4] H. Gundel, J. Handerek, H. Riege. J. Appl. Phys. 69, 2, (1991).

[5] K. Biedrzycki, R. Bihan. Ferroelectrics 12b, 253 (1992).

[6] A.S. Sidorkin, B.M. Darinskii. Ferroelectrics 111, 325 (1997).

[7] A.S. Sidorkin, S.D. Milovidova, N.Yu. Ponomareva, O.V. Rogazinskaya. Ferroelectrics 219, 23 (1998).

[8] А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова. ФТТ 41, 9, 1675 (1999).

[9] А.С. Сидоркин, П.В. Логинов, А.М. Саввинов, А.Ю. Кудзин, Н.Ю. Короткова. ФТТ 38, 2, 624 (1996).

[10] A.S. Sidorkin, B.M. Darinskii, A.P. Lazarev, A.M. Kostsov.

Ferroelectrics 143, 209 (1993).

[11] A.K. Tagantsev. Ferroelectrics 184, 79 (1996).

[12] Г.А. Смоленский, В.А. Боков, В.А. Исупов, Н.Н. Крайник, А.И. Соколов, Н.К. Юшин. Физические основы сегнетоэлектрических явлений. Наука, Л. (1985). 367 с.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.