WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 6 Аномалии процессов поляризации в релаксорных сегнетоэлектриках © В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.С. Иванова, Т.Р. Волк Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, 119333 Москва, Россия E-mail: glad@ns.crys.ras.ru Приводятся результаты исследования аномальной поляризации релаксорных сегнетоэлектриков (релаксоров) твердых растворов ниобата бария-стронция (SBN) и магнониобата свинца (PMN) в переменных низкочастотных (до 10-4 Hz) и постоянных электрических полях: петель диэлектрического гистерезиса, релаксации поляризации, спектра распределения коэрцитивного поля, нелинейной поляризации для различного масштаба неоднородностей, поляризации при воздействии света на фоточувствительный релаксор SBN. Все аномальные свойства поляризации существенно отличают релаксоры от обычного однородного сегнетоэлектрика и являются признаком и мерой структурного беспорядка. Статья содержит краткий обзор работ авторов за последние несколько лет и некоторые новые результаты их анализа.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-02-17565).

PACS: 77.84.Dy, 77.80.Dj, 77.22.Gm 1. Введение источники постоянных напряжений V и v, которые подавались соответственно на образец и емкость C.

Исследование физических свойств релаксорных сегнеПри балансировке моста напряжение в диагонали равно тоэлектриков (релаксоров), имеющих благодаря необычнулю, а плотность электрического заряда на электродах но высоким значениям некоторых физических харакобразца теристик многообещающие перспективы применения в (t) =Q(t)/S = Cv(t)/S = P(t) +Et/. (1) различных физических устройствах, продолжается уже несколько десятков лет. К релаксорам можно отнести где E = V /d, P(t) — поляризация, d — толщина, многие твердые растворы кристаллов; наиболее известS — площадь образца, — удельное электрическое ными из них являются твердые растворы магнониобасопротивление, t — время. Компенсация напряжения в та свинца (PMN), синтезированные и исследованные диагонали осуществлялась программным способом на впервые Г.А. Смоленским с сотрудниками [1], и ниобаперсональном компьютере и периферийных управляета бария-стронция (SBN) [2]. Релаксоры представляют мых блоках. При регистрации диэлектрического гистесобой существенно неупорядоченные структуры, у которезиса периодическое пилообразное напряжение V на рых фазовый переход в полярное состояние и темперакристалле подавалось от источника Б5-50, управляемого турные аномалии всех физических свойств значительно программным блоком. Период одного цикла изменения размыты в широкой области температур (область Кюэлектрического поля составлял 1 h, что соответствует ри) [1–3]. Исследования физических свойств, новых мачастоте 10-4 Hz. Подробное описание установки для териалов и возможностей различных технических прирегистрации поляризации приводится в [4], петель дименений релаксоров продолжают сегодня интенсивно электрического гистерезиса в [5].

развиваться. В настоящей работе приводятся основные Исследованные образцы кристаллов — ниобат бариярезультаты наших исследований процессов поляризации стронция с концентрацией стронция 0.75 (SBN-0.75), релаксоров за последние пять лет. Изучалось поведение 0.61 (SBN-0.61), SBN, легированный (La + Ce), Nd, Cr релаксоров в квазистатических переменных полях с и (001)-срез магнониобата свинца (PMN).

частотой не более 10-4 Hz и постоянных электричеПри исследовании фоточувствительного релаксора ских полях, что дает представление об особенностях SBN-0.61 (La + Ce) в качестве источника освещения поведения поляризации вблизи ее термодинамически использовалась ртутная лампа ОИ-18 с фильтром С3Сравновесных значений. Эти особенности ранее либо (спектральный интервал 400-700 nm), интенсивность не были выявлены, либо им уделялось слишком мало была 0.3-25 mW/cm2.

внимания.

3. Результаты и обсуждение 2. Методика эксперимента Основной элемент установки для регистрации поляри- 3.1. Квазистатические петли диэлектризации P релаксоров — прецизионный компенсационный ч е с к о г о г и с т е р е з и с а. Несколько первых полэлектрометрический мост, в первом плече которого ных циклов изменения поляризации представляют собой находится исследуемый образец, во втором — эталонная незамкнутые и не совпадающие траектории с уменьшаемкость C, в третьем и четвертом — низкоомные ющейся от одного цикла к другому амплитудой. Затем Аномалии процессов поляризации в релаксорных сегнетоэлектриках зультате эти области не участвуют в переполяризации при следующем цикле поля, и амплитуда P уменьшается.

Можно сказать также, что глубокие минимумы при определенной величине поля E являются локальными ловушками или центрами „пиннинга“ для поляризации, выключая ее из дальнейшего процесса [7].

3.2 Релаксация поляризации в постоянн ы х п о л я х. У обычных однородных сегнетоэлектриков релаксация поляризации P в постоянных электрических полях E, меньших коэрцитивного поля Ec (E < Ec), является термоактивационной, и скорость релаксации увеличивается с ростом E. Только при E Ec релаксация идет по другому механизму и развивается с ускорением. Равновесной поляризацией Pe в обоих случаях является спонтанная поляризация Ps Pe = Ps.

У релаксоров в полях любой величины, как больших, так и меньших полуширины петли, релаксация всегда имеет две четко отличающиеся стадии — быструю надбарьерную („скачок“) и медленную термоактивационную. Коэрцитивное поле неоднозначно и распределено по объему кристалла в широком интервале значений, а равновесное значение Pe зависит от поляризующегося в поле E объема кристалла. Наилучшей аппроксимацией экспериментальных данных для термоактивационных стадий является степенная функция Pe - P(t) p(t) = =, (2) Pe - P0 (1 + t/a)n где Pe и a, n являются свободными параметрами. Степенная функция (2) является наилучшей также по той причине, что ей соответствует простая функция f ( ) Рис. 1. Квазистатическая петля диэлектрического гистерезиса распределения времени релаксации, связанная с ней релаксора SBN-0.61 (La + Ce) при T = 293 K.

преобразованием Лапласа. Часто удобнее пользоваться безразмерной функцией g(ln ) = f ( ) распределения барьеров по энергии U, поскольку U = kT ln(/0), где уменьшение амплитуды поляризации P прекращается, и 0 — кинетический коэффициент петли начинают совпадать, приобретая привычный для всех сегнетоэлектриков вид (рис. 1). Такая аномальная g = {1/ (n)}(a/ )n exp(-a/ ). (3) форма петель гистерезиса характерна для всех исследованных нами релаксоров и впервые была отмечена Здесь (n) — гамма-функция. Функция f ( ) имеет в [6], а позднее подтверждена в [7]. Возможной причиной максимум при mf = a/(1 + n), а g( ) —при mg = a/n.

аномалий петель гистерезиса релаксорных сегнетоэлекНа рис. 2 показаны кривые релаксации P для тритриков является следующее. В результате разупорядочеглицинсульфата (ТГС) и SBN-0.61 (La + Ce). Параметния структуры локальная свободная энергия F релаксора ры Pe, a, n для этих кристаллов приведены в [8]. Все становится асимметричной двухминимумной функцией отмеченные особенности релаксации P для процессов поляризации P поляризации и деполяризации у всех релаксорных сегнетоэлектриков одинаковы.

F = -P2 + P4 - (Ei + E)P, 3.3. Распределение коэрцитивного поля.

Результаты измерения релаксации поляризации могут где E — внешнее поле, Ei — случайное внутреннее быть использованы для построения возможной функции поле, и — константы разложения Ландау [3].

D(Ec) распределения в объеме неоднозначного коэрциПоле Ei, глубина минимумов и потенциальные барьеры тивного поля Ec релаксора, если считать, что скачок помежду ними — случайные величины, значения которых распределены по объему образца в широком интерва- ляризации P происходит в той части объема, в которой ле. В переменном поле некоторые области переходят коэрцитивное поле Ec E, и величина P пропорциов стабильные состояния с глубокими минимумами, а нальна доле заполяризованного объема со спонтанной обратный переход практически невозможен из-за слиш- поляризацией Ps. На рис. 3 приведена зависимость ком большого барьера до тех пор, пока |E| |Ei|. В ре- поляризации P от поля E, с которой почти совпадают 6 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1044 В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.С. Иванова, Т.Р. Волк „скачки“ P (темные квадраты), и распределение D(Ec) для релаксора SBN-0.75. Зависимость P(E) удовлетворительно аппроксимируется выражением P(E) =Pn(E) +E, (4) где Pn(E) — нелинейная составляющая, представляющая собой ту же степенную функцию, что и релаксация P(t), если провести в (2) замену t E, Pe Ps, P0 = 0.

Рис. 3. Зависимость поляризации P от поля E (1) и распределение D(Ec) коэрцитивного поля Ec (2) в кристалле SBN-0.75.

Точки — экспериментальные значения P. Сплошная линия — расчетная степенная зависимость P от E. Темные квадраты — „скачки“ P при мгновенном включении поля E. Штриховые линии — линейная и нелинейная составляющие P(E).

Штриховые линии — линейная и нелинейная составляющие P(E) с параметрами = 0.44-0.47 µC/kV · cm, Ps = 15.3-14.7 µC/cm2, a = 2.0-3.5 kV/cm, n = 1.4-2.7.

dPn(E) Функция D(Ec)= /Ps распределения Ec является dE нормированной, т. е. D(Ec)dEc = 1. Наиболее вероятному Ec максимума D(Ec), как видно из рис. 3, отвечает значение 2 kV/cm, что совпадает с полушириной петли гистерезиса [9]. Конечно, кривые P(E) и функция D(Ec) будут несколько отличаться для различных ветвей петли гистерезиса. Для идеального однородного сегнетоэлектрика, имеющего определенное однозначное коэрцитивное поле, распределение D(Ec) представляет собой дельта-функцию.

3.4. Аномалии поляризации и масштаб неоднородностей структуры. Макроскопическая неоднородная структура релаксора PMN существенно изменяется с температурой: при T Tm = 270 K она представляет собой неполярную матрицу с мелкими полярными областями 100 (нанодомены), а ниже T 215 K в электрическом поле — обычную крупномасштабную сегнетоэлектрическую доменную структуру [10]. По этой причине PMN — удобный объект для исследования взаимосвязи аномалий поляризации с масштабом неоднородностей. Наши исследования поляризации среза (100) PMN в инфранизкочастотном диапазоне показали следующее. Во-первых, аномальная Рис. 2. Релаксация поляризации P при различных полях E квазистатическая петля гистерезиса, характерная для для ТГС (a) и релаксора SBN-0.61 (La + Ce) (b). a — релаксоров (рис. 1), наблюдается во всем широком E = 5.6 (1), 16 (2), 25 kV/cm(3), T = 293 K; b — E = 300 (1), температурном интервале, но аномалии тем больше, чем 600 V/cm (2), T = 274 K. Сплошные кривые — расчет, кружкрупнее неоднородная структура кристалла. Во-вторых, ки — эксперимент. Штриховые горизонтальные линии — равновесные значения Pe, t0 = 1min. равновесная поляризация Pe при деполяризации равна Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Аномалии процессов поляризации в релаксорных сегнетоэлектриках Рис. 4. Петли диэлектрического гистерезиса (a), релаксация процесса деполяризации (b) и соответствующий спектр f (c) фоточувствительного релаксора SBN-0.61 (La + Ce) при выключенном (1) и включенном (2) свете. Электрическое поле предварительной поляризации E = 2.8kV/cm, t0 = 1min. На части b точки — экспериментальные значения, сплошные линии — расчет по формуле (2). На вставке — начало процесса деполяризации.

нулю только в истинно релаксорной фазе [11]. Иначе ствующими этим кривым спектрами времен релаксации говоря, равновесные петли гистерезиса, по-видимому, f ( ) для кристалла SBN-0.61 (La + Ce) при включенном существуют только в сегнетоэлектрической фазе, а в мощностью 1 mW/cm2 и выключенном освещении для релаксорной такие петли и сегнетоэлектрическое упоря- комнатной температуры. Широкая полоса поглощения дочение отсутствуют. Последнее заключение не проти- у этих кристаллов в видимой области спектра от воречит данным [12,13], полученным соответственно в до 600 nm обусловлена фотоактивной примесью Ce [14].

постоянных полях и в переменных полях часотой 60 Hz.

Петли гистерезиса построены с учетом поправ3.5. Влияние света на аномалии поляриза- ки по уравнению (1) на проводимость, которая ции фоточувствительного релаксора SBN. при мощности освещения 20 ± 5 mW/cm2 составляла На процессы поляризации фоточувствительного релак- 2 · 10-12 ( · cm)-1. Цифры на рис. 4, a обозначают сора существенно влияет освещение. На рис. 4 при- последовательность изменения P. Штриховые линии — водятся квазистатические петли диэлектрического ги- траектории P освещаемого образца, сплошные — без стерезиса P(E) и кривые деполяризации с соответ- освещения. Момент включения света показан светФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1046 В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.С. Иванова, Т.Р. Волк лым кружком, выключения — темным. Деполяризация [7] T. Granzon, V. Dorfler, Th. Woike, M. Wohleke, R. Pankrath, M. Imlau, W. Kleeman. Phys. Rev. B 63, 174 101 (2001).

регистрировалась после предварительной поляризации [8] В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Т.Р. Волк, Л.И. Ивлева. ЖЭТФ в поле 2.8 kV/cm, экспериментальные точки показаны 120, 3 (9), 678 (2001).

значками, расчетные зависимости для P(t), следую[9] В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Т.Р. Волк, Д.В. Исаков, щие степенному закону (2) — сплошными линиями Е.С. Иванова. ФТТ 45, 11, 2067 (2003).

(рис. 4, b), а спектры f ( ) при выключенном и вклю[10] В.А. Боков, И.Е. Мельникова. ФТТ 3, 3, 841 (1961).

ченном освещении — сплошной и штриховой лини[11] В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.В. Пронина. ФТТ 45, 7, ями соответственно (рис. 4, c). Расчетные параметры (2003).

релаксации P и спектров равны Pe = 0, a = 0.21 min, [12] Zuo-Guang Ye, H. Schmid. Ferroelectrics 145, 83 (1993).

n = 0.1, mf = 0.19 min и Pe = 0, a = 3.1 min, n = 0.35, [13] H. Arndt, F. Sauerbier, G. Schmidt. Ferroelectrics 79, mf = 2.32 min для неосвещаемого и освещаемого образ(1988).

ца соответственно. Все эти результаты свидетельствуют [14] В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Т.Р. Волк, Е.С. Иванова, о том, что при освещении доля объема кристалла, участ- Л.И. Ивлева. ФТТ 47, 2, 286 (2005).

[15] T. Granzon, V. Dorfler, Th. Woike, M. Wohleke, R. Pankrath, вующая в процессе поляризации, и средняя по времени M. Imlau, W. Kleeman. Europhys. Lett. 57 (4), 597 (2002).

скорость термоактивационной стадии релаксации увеличиваются, при этом при повторных циклированиях поля улучшается воспроизводимость значений поляризации и всех зависящих от нее физических свойств релаксора.

Pages:     || 2 |



© 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.