WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС с примесью хрома © А.А. Сидоркин, А.С. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова Воронежский государственный университет, 394006 Воронеж, Россия (Поступила в Редакцию 27 июня 2002 г.) Экспериментально зарегистрирована термостимулированная эмиссия электронов из сегнетоэлектрического кристалла триглицинсульфата (ТГС) с примесью хрома в температурной области, превышающей точку Кюри на 6 K для образцов, нагреваемых с относительно высокой скоростью. Показано, что увеличение скорости нагрева q приводит к увеличению плотности эмиссионного тока во всей исследуемой области температур. В кристалле ТГС с примесью хрома температура возникновения эмиссии зависит от скорости q незначительно и близка к случаю чистого ТГС, а температура исчезновения эмиссии монотонно увеличивается с увеличением q при относительно низких скоростях нагрева и стабилизируется при высоких q. В то же время интервал затягивания эмиссии в парафазу здесь примерно в 2 раза меньше, чем для случая чистого ТГС, нагреваемого с той же скоростью.

Особенности эмиссии исследуемого кристалла объясняются релаксацией зарядов экранирования спонтанной поляризации. Меньшая температура окончания эмиссии по сравнению с чистым кристаллом ТГС в кристалле с примесью хрома объясняется меньшим временем максвелловской релаксации в примесном кристалле.

Работа выполнена при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (CRDF) (грант VZ-010) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 01-02-16828).

Одним из заметных явлений, сопровождающих про- 1. Методика эксперимента цессы изменения макроскопической поляризации в сеи результаты гнетоэлектриках, является эмиссия электронов. Информативным способом выявления природы наблюдаемой Измерения плотности тока электронной эмиссии jem в эксперименте эмиссии электронов является изучение в настоящей работе, как и ранее, проводились по кинетики эмиссионного процесса. Ранее в работе [1] стандартной методике [3,4] в вакууме 6.5 · 10-3 Pa. Для была исследована кинетика эмиссии чистого кристалла измерений использовались образцы полярного Y -среза триглицинсульфата (ТГС) и показано, что в зависимости кристалла ТГС с примесью хрома (1 mol% в раствоот скорости нагрева температурный интервал существо- ре) площадью 20 mm2 и толщиной 1 mm. Скорость вания эмиссии может быть различным. В частности, линейного нагрева образцов q = dT/dt варьировалась температура, при которой наблюдается исчезновение от 0.1 до 4 K / min. Температура образца измерялась эмиссии, может существенно превышать точку Кюри, медь-константановой термопарой и контролировалась т. е. эмиссия может наблюдаться в неполярной фазе одновременным измерением емкости другого образца сегнетоэлектрического материала. Указанная эмиссия кристалла ТГС с той же концентрацией примеси хрома.

связывалась в [1] с затягиванием в неполярную фазу Для различных опытов температура образцов менялась зарядов экранирования спонтанной поляризации, поле в интервале от +20 до +60C. Точность измерения которых, по нашему мнению, и является причиной температуры составляла 5%.

наблюдаемой в эксперименте эмиссии.

В результате проведенных экспериментов было поОчевидно, что, если указанное предположение явля- казано, что, как и в случае чистого ТГС, термостимулированная эмиссия электронов в кристалле ТГС ется верным, регулируя особенности кинетики зарядов с примесью хрома наблюдается в ограниченном темпеэкранирования, можно варьировать и температурный ратурном интервале, границы которого зависят от скоинтервал существования эмиссии в сегнетоэлектриках.

рости q = dT/dt нагрева образца. Как и в чистом ТГС, Известно, что в легированных сегнетоэлектриках групнизкотемпературная граница указанного интервала здесь пы ТГС время релаксации эмиссии может менятьпрактически не зависит от скорости q (рис. 1). Высокося в зависимости от типа легирующей примеси [2], температурная граница интервала, в пределах которого и, следовательно, указанный материал дает хорошую регистрируется эмиссия электронов, при небольших возможность проверки высказанных в [1] предполоскоростях нагрева, как видно из рис. 1 и 2, с ростом q жений о природе наблюдаемой в сегнетоэлектриках также увеличивается приблизительно пропорционально эмиссии.

Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС... на 6 K. При этом во всем температурном интервале, где регистрируется указанная эмиссия, величина эмиссионного сигнала монотонно растет с ростом q приблизительно по линейному закону (рис. 3). Одновременно наблюдается уменьшение суммарного числа эмитируемых электронов с ростом скорости нагрева образца (рис. 4).

Как видно из сравнения температурных зависимостей плотности эмиссионного тока для чистого ТГС и кристалла ТГС с хромом, приведенных на рис. 5, при одной и той же скорости нагрева образца в случае кристалла с примесью хрома температура затягивания эмиссии в парафазу примерно в 2 раза меньше, чем в случае чистого ТГС. Для скорости нагрева около 4 K / min температура окончания эмиссии в ТГС с хромом составляет 55C, в то время как в чистом ТГС для данного значения q температура окончания эмиссии составляет соответственно 65C.

Скорость роста максимального значения эмиссионного тока с ростом q, характеризуемая тангенсом угла наклона кривых на рис. 3, в кристалле ТГС с хромом (кривая 1) также оказывается меньше, чем в чистом ТГС (кривая 2). Зависимости суммарного заряда, вылетевшего с поверхности, от скорости нагрева образца для кристалла ТГС с примесью хрома и чистого кристалла Рис. 1. Зависимость плотности эмиссионного тока от темТГС являются качественно аналогичными.

пературы для разных скоростей нагрева монокристалла ТГС с примесью хрома. q, Kmin-1: a — 0.5; b — 1.5, c — 2.0, d —4.0.

Рис. 3. Зависимость максимального значения плотности эмиссионного тока от скорости нагрева для монокристалла ТГС с примесью хрома (1) и чистого ТГС(2).

Рис. 2. Зависимость температуры исчезновения эмиссии от скорости нагрева для монокристалла ТГС с примесью хрома.

скорости нагрева образца и стабилизируется (выходит на насыщение) при достаточно высоких q. При этом в зависимости от величины q температура исчезновения эмиссии может быть как больше, так и меньше TC.

В частности, при q = 0.5 K / min температура исчезновения эмиссии в кристалле ТГС с примесью хрома, как и в чистом ТГС, равна +45-46C, т. е. локализована ниже точки Кюри. При q = 3-4.5 K / min она достигает примерно 55C, т. е. эмиссия электронов регистрируется Рис. 4. Зависимость полного числа импульсов эмиссии от в температурной области, превышающей точку Кюри скорости нагрева для монокристалла ТГС с примесью хрома.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 894 А.А. Сидоркин, А.С. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова Как отмечалось в [1], наблюдаемая термоэмиссионная где Tm — температура максимума эмиссионного тока, а активность исследуемых сегнетоэлектриков может быть объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поE(T ) = Pl - 0(TC - T )/ (6) S верхностных электронных состояний в суммарном поле зарядов экранирования спонтанной поляризации и ком— зависящее от температуры суммарное поле зарядов пенсирующих их зарядов. Нарушение компенсированноспонтанной поляризации и компенсирующих их зарясти указанных полей за счет уменьшения спонтанной дов, вызывающее автоионизацию примесных центров поляризации при приближении к точке Кюри приво(Pl — поляризация насыщения, S — диэлектрическая дит к появлению отличного от нуля суммарного поля, проницаемость поверхностного несегнетоэлектрическокоторое и является фактором, приводящим к выбросу го слоя) и электронов из ловушек на поверхностных электронных 4 2mA3/E =. (7) состояниях [3–5].

3 e Согласно [3], в общем случае кинетика эмиссии Величина эмитируемого заряда помимо релаксации доменной структуры определяется действием процесса опустошения электронных ловушек Tend и конкурирующим с ним процессом максвелловской Q = j(T )dt/q. (8) релаксации зарядов экранирования спонтанной поляриTl зации. В предельных случаях для оценки характерных величин действие указанных факторов можно рассматКак видно из (5), вероятность W (Tm) пропорциональна q.

ривать отдельно. В частности, если время прохождеПолагая для простоты, что при интегрировании в (4) вения активного в эмиссии температурного интервала личину W можно положить постоянной и равной W (Tm), (Tl - Tend)/q гораздо меньше времени максвелловской получим сокращение зависимости от q в n. Таким обрелаксации зарядов экранирования, можно рассматразом, зависимость величины максимума эмиссионного ривать кинетику эмиссии, определяемую ионизацией тока от скорости нагрева образца q имеет следующий поверхностных дефектных центров. В этом случае плотвид:

ность эмиссионного тока [3–5] E E jem = en(Tm) q. (9) max E2(Tm) T T =Tm jem(T ) =en(T )W (T ), (1) Ограничение температурного интервала, в котором где n(T) — поверхностная плотность занятых поверхсуществует эмиссия электронов, со стороны высоких ностных электронных состояний при данной температутемператур может быть обусловлено либо полным опуре, стошением здесь занятых электронных состояний, либо 2 2mA 4 2mA3/2 ликвидацией вызывающего эмиссию суммарного поля W (T ) = exp - (2) зарядов спонтанной поляризации и компенсирующих их mS eE зарядов.

— вероятность ионизации в единицу времени поверхноПри исчезновении эмиссии до точки Кюри, очевидно, стого центра глубиной A в поле E, — ширина потенреализуется первая ситуация, поскольку поле компенсициальной ямы, соответствующей электронной ловушке, рующих зарядов может исчезнуть только при полном S — площадь поверхности сегнетоэлектрика, активной исчезновении спонтанной поляризации в точке Кюри.

в эмиссии.

В пользу предположения о полном опустошении лоЗависимость n(T) определяется уравнением вушек в случае, соответствующем рис. 1, a, очевидно, указывает и демонстрируемое на рис. 3 уменьшение веdn = -nW dt. (3) личины заряда, освобождаемого при больших скоростях нагрева.

Согласно (3) с учетом dt = dT/q и начальных условий Наличие эмиссии выше TC подтверждает предположеn(T = Tl) = n0 Tl — температура начала нагрева, при ние о природе зарядов, активных в эмиссии (компенсикоторой E(T = Tl) =0, для q = const рующие заряды, а не заряды спонтанной поляризации).

T Как показано в [1], наличие эмиссии в неполярной фазе может быть связано с затягиванием компенсирующих n = n0 exp - WdT. (4) q зарядов до данных температур в связи с достаточно Tl большим временем их максвелловской релаксации.

Указанное предположение подтверждают и численные Положение максимума эмиссионного тока определяоценки. Действительно, в области фазового перехода ется условием jem/T = 0, которое с учетом (1–4) удельное сопротивление номинально чистого кристалприводит к соотношению ла ТГС составляет 1012 · cm [6], диэлектрическая E E проницаемость здесь порядка 103, что дает время W (Tm) =q, (5) максвелловской релаксации компенсирующих зарядов E2(Tm) T T =Tm Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС... пропорциональное уменьшение интервала затягивания эмиссии в параэлектрическую фазу в легированном материале при той же скорости нагрева образца.

В соответствии с рис. 6 в сегнетоэлектрической фазе в чистом кристалле ТГС время релаксации эмиссии уменьшается при приближении к точке Кюри, что, в частности в полевой модели, может быть объяснено ростом суммарного поля, вызывающего эмиссию.

Отсутствие температурной зависимости для времени релаксации эмиссии в примесном кристалле ТГС, поРис. 5. Зависимость плотности эмиссионного тока от темпевидимому, связано с тем, что здесь уже в сегнетофазе ратуры для кристалла ТГС с примесью хрома (1) и чистого начинают сказываться процессы экранирования, ослабТГС (2) для одной и той же скорости нагрева образца ляющие активное в эмиссии поле.

q = 4K/ min.

Таким образом, как следует из полученных результатов, температура исчезновения эмиссии электронов из сегнетоэлектриков не совпадает в обязательном порядке с точкой Кюри TC. Она может быть как меньше, так и больше TC. Величина затягивания эмиссии в параэлектрическую фазу зависит от времени максвелловской релаксации зарядов экранирования спонтанной поляризации и может регулироваться, в частности, легированием сегнетоэлектрического материала.

Список литературы [1] А.А. Сидоркин, А.С. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова. ФТТ 44, 2, 344 (2002).

[2] А.С. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, Рис. 6. Температурная зависимость времени релаксации элекН.Ю. Пономарева, А.А. Сидоркин. Изв. РАН. Сер. физ. 64, тронной эмиссии для кристалла ТГС с примесью хрома (1) 9, 1763 (2000).

и чистого кристалла ТГС (2).

[3] А.С. Сидоркин, А.М. Косцов, В.С. Зальцберг. ФТТ 27, 7, 2200 (1985).

[4] А.М. Косцов, А.С. Сидоркин, В.С. Зальцберг, С.П. Грибков.

ФТТ 24, 3436 (1982).

= /4 порядка 103 s или несколько минут [2]. Умно- [5] А.А. Сидоркин, С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, жая скорость нагрева 3.5 K / min на данное время, А.С. Сидоркин. ФТТ 42, 4, 725 (2000).

[6] М.С. Цедрик. Физические свойства кристаллов семейства получим температурный интервал существования этих триглицинсульфата. Наука и техника, Минск (1986). 216 с.

зарядов порядка десяти градусов, что вполне соответствует следующему из рис. 5 интервалу затягивания эмиссии в парафазу на 10 K в номинально чистом кристалле ТГС.

Уменьшение интервала затягивания эмиссии в параэлектрическую фазу в кристалле ТГС с примесью хрома в рамках данной схемы может быть объяснено уменьшением времени максвелловской релаксации компенсирующих зарядов в данном материале по сравнению с чистым кристаллом ТГС ввиду зарегистрированного в эксперименте увеличения проводимости в дефектном материале триглицинсульфата [6].




© 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.