WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 7 Закон Фогеля–Фулчера — характерная особенность сегнетостекольной фазы в танталате калия, допированном литием © В.В. Лагута, М.Д. Глинчук, И.В. Кондакова Институт проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 03680 Киев, Украина E-mail: dep4@materials.kiev.ua (Поступила в Редакцию 31 октября 2003 г.) Проведены измерения динамического диэлектрического отклика и нелинейной диэлектрической восприимчивости K1-x Lix TaO3 (x = 0.01, 0.016 и 0.03) в постоянном электрическом поле для области температур 4 T 150 K. Обнаружено, что в образцах с двумя меньшими концентрациями лития электрическое поле E уменьшает диэлектрическую восприимчивость. В образце с концентрацией лития x = 0.03 наблюдалось как уменьшение (E > 1kV/ cm), так и увеличение (E < 0.5kV/ cm) восприимчивости. Установлено, что наблюдаемая зависимость положения максимума от температуры и частоты измерительного поля в образцах с меньшей концентрацией примесей лития (x = 0.01, 0.016) удовлетворяет закону Аррениуса, а в образцах с большей концентрацией примесей (x = 0.03) — закону Фогеля–Фулчера. Теоретическое описание, выполненное в рамках теории случайного поля, подтвердило найденные экспериментально закономерности и позволило сделать вывод о том, что закон Аррениуса характерен для дипольного стекла, а закон Фогеля– Фулчера — для смешанной сегнетостекольной фазы с сосуществованием ближнего и дальнего полярного порядка. Таким образом, измерения диэлектрического отклика можно использовать для идентификации фазы сегнетостекла в любом разупорядоченном сегнетоэлектрике.

Разупорядоченные сегнетоэлектрики привлекают при- E0/ Ei < 1, E0/ Ei 1 и E0/ Ei 1. Выделение и стальное внимание ученых благодаря своим необычным идентификация DG- и FG-фаз во многих разупорядоченсвойствам. Танталат калия с примесными ионами лития ных сегнетоэлектриках, в частности релаксорах, до сих и ниобия, занимающими нецентральные положения в поря является наиболее сложной задачей. Неэргодичное решетке, часто рассматривается как модель разупоря- поведение и процессы с большими временами релакдоченного сегнетоэлектрика. Все свойства K1-x Lix TaO3 сации характерны для обеих этих фаз, хотя вначале с (KLT) и KTa1-xNbx O3 (KTN) сильно зависят от концен- их помощью описывалось только стекольное состояние.

трации нецентральных ионов Li+ или Nb5+ даже при С другой стороны, теоретическое рассмотрение влияния малых концентрациях x < 0.1 [1,2]. В частности, состоя- внешних постоянных электрических полей на диэлекние дипольного стекла (DG) с полярными кластерами трическую восприимчивость показало, что в DG-фазе доближнего порядка реализуется при x < xc, в то время полнительное внешнее постоянное поле всегда приводит как при больших концентрациях (x0 x xc) имеет к уменьшению диэлектрического отклика, тогда как в место смешанная фаза сегнетостекла (FG), в которой смешанной FG-фазе постоянное внешнее поле может как сосуществуют дальний и ближний полярный порядок. снижать, так и увеличивать отклик [5,6]. Следовательно, С дальнейшим увеличением концентрации примесей измерения нелинейной восприимчивости могут быть при x x0 возникает сегнетофаза (FE). Измерения использованы для идентификации FG-фазы. Принимая во критической концентрации дают следующие значения: внимание тот факт, что в модельном разупорядоченном xc = 0.022 (KLT) и xc = 0.008 (KTN) (см., напри- сегнетоэлектрике KLT DG- и FE-фазы существуют мер, [3]). Расчеты показывают, что как значение крити- соответственно при значениях концентраций x < xc = ческой концентрации xc, так и вся фазовая диаграмма = 0.022 [7] и x x0 = 0.05 [8], можно ожидать разупорядоченных сегнетоэлектриков определяются ви- появления FG-фазы в образцах с промежуточной кондом и параметрами функции распределения случайных центрацией примесей. Таким образом, измерения электрических полей, а именно отношением величин нелинейного отклика в образцах с концентрацией наиболее вероятного поля E0 и полуширины Ei. В то примесей в указанном диапазоне можно использовать время как величина E0 полностью определяется вкладом для идентификации FG-фазы. Кажется разумным также электрических диполей и пропорциональна их концен- сравнить экспериментально и теоретически полученное трации (E0 x) [1], значение Ei зависит также от поведение динамической диэлектрической восприимчивклада других источников случайных полей, например вости в области концентраций лития, соответствующих точечных зарядов и центров дилатации [4]. Заметим, DG- и FG-фазам.

что учет вкладов этих дополнительных источников слу- В настоящей работе представлены результаты изчайных полей помогает объяснить достаточно большое мерений динамического диэлектрического отклика и значение критической концентрации в KLT. нелинейной восприимчивости во внешнем постоянном В общем случае реализация DG-, FG- и FE-фаз электрическом поле для идентификации FG-фазы в KLT.

соответствует следующим значениям параметров: Мы предлагаем также иной метод разделения DG- и Закон Фогеля–Фулчера — характерная особенность сегнетостекольной фазы в танталате калия... FG-фаз на основе изучения температурных зависимостей динамического диэлектрического отклика. В работе экспериментально и теоретически показано, что температуры максимума диэлектрической восприимчивости при измерении на различных частотах удовлетворяют закону Аррениуса для DG-состояния и закону Фогеля– Фулчера для FG-фазы. Поскольку при исследовании неупорядоченных сегнетоэлектриков измерения температурных и частотых зависимостей диэлектрической восприимчивости, как правило, проводятся, предложенный нами метод идентификации DG- и FG-фаз кажется многообещающим.

1. Экспериментальная методика и результаты Исследовались монокристаллические образцы KTaO3, допированные ионами лития с концентрацией 1, 1.6 и 3 at.%. Типичный размер кристаллов составРис. 2. Температурные зависимости и KTaO3: 1.6%Li и их частотная дисперсия.

лял 3 2 1 mm, грани были параллельны плоскостям (001). Электроды наносились серебряной пастой на противоположные грани.

Диэлектрический отклик измерялся с помощью моста HP 4275A (частота переменного электрического поля от 10 kHz до 2 MHz) в зависимости от частоты и температуры при величине внешнего электрического постоянного поля до 2000 V / cm. Температура варьировалась от 300 до 4.2 K, скорость нагревания составляла 0.2-0.3 K / min.

На рис. 1 и 2 представлены температурные и частотные зависимости диэлектрической восприимчивости и потерь, измеренные на образцах с концентрацией лития 1 и 1.6% при нулевом постоянном электрическом поле, вид которых характерен для таких концентраций лития. На рис. 3 показаны температурные и частотные зависимости диэлектрической восприимчивости и потерь для KTaO3: 3% Li. При T < Tm (Tm — темпеРис. 1. Температурные зависимости действительной и ратура максимума диэлектрической восприимчивости) мнимой частей диэлектрической константы KTaO3: 1% Li и их частотная дисперсия. наблюдаются некоторые особенности, а именно: при Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1226 В.В. Лагута, М.Д. Глинчук, И.В. Кондакова либо закону Фогеля–Фулчера = 0 exp[U/(Tm - Tg)], (2) где предэкспоненциальный множитель 0, активационный барьер U и „температура замерзания“ Tg являются подгоночными параметрами. Величины этих параметров представлены в таблице. Их значения свидетельствуют о том, что в образцах с низкой концентрацией Li (1 и 1.6%) дисперсия определяется динамикой индивидуальных (изолированных или слабо взаимодействующих) диполей Li и хорошо описывается законом Аррениуса, что находится в согласии с результатами ЯМР-исследования Li [1]. Для образцов с 3% Li дисперсия уже не описывается простым законом Аррениуса, и лучшего согласия с экспериментом при разумных значениях параметров можно достичь, описывая температурную зависимость частоты реориентации диполей законом Фогеля–Фулчера. Именно такой подход чаще всего используется для описания динамики соединений, содержащих фазу дипольного стекла.

Для изучения нелинейных эффектов диэлектрической проницаемости прикладывалось внешнее постоянное электрическое поле E. При измерении диэлектрической проницаемости применялись следующие режимы: охлаждение в поле (FC) и охлаждение в поле–нагревание без поля (FC–ZFH). После каждого измерения в постоянном электрическом поле образец нагревался до комнатной температуры для удаления пространственного заряда, который аккумулировался вблизи электродов, что приводило к уменьшению измеряемых значений емкости образца. С другой стороны, влияние пространственного Рис. 3. Температурные зависимости и KTaO3: 3% Li заряда при низких температурах (4-150 K) можно таки их частотная дисперсия. На вставках показана аномалия же учесть, если предположить существование некоторой диэлектрического отклика при T 50 K.

температурно-независимой емкости, соединенной параллельно с емкостью „идеального“ образца. Очевидно, что эта дополнительная емкость, зависящая от напряженности и величины электрического поля, может быть опреT 50 K отчетливо видно ступенчатое уменьшение веделена путем сравнения значений (T ), измеренных в личин и (см. вставки на рис. 3). Более того, режиме ZFC сразу после приложения постоянного поля эта аномалия претерпевает гистерезис при нагревании и после медленного нагревания (4-6h) при 400-500 K.

и охлаждении. Заметим, что температура основного На рис. 4 в качестве примера представлены результаты пика диэлектрической восприимчивости не зависит от измерений (T ) до и после приложения поля, а также режима прохождения (т. е. одинакова при нагревании данные, учитывающие поправку к (T ) путем введеи охлаждении). Второй отличительной особенностью ния параллельно соединенной емкости C0. Видно, что аномалии при T 50 K является ее бездисперсионность;

по крайней мере в частотном диапазоне 104-2 · 106 Hz Динамические характеристики диэлектрического отклика температура -прыжка не зависит от частоты переменK1-xLix TaOного электрического поля.

В рассматриваемых образцах с тремя концентрациями x лития мы анализировали температурные зависимости 0.01 0.016 0.Парадисперсии диэлектрической восприимчивости вблизи Tm, метр Экспе- Экспе- Экспепредполагая, что релаксация диполей лития имеет деТеория Теория Теория римент римент римент баевский характер и частота реориентации диполей подчиняется закону Аррениуса U, K 970 1109 994 1150 918 0, Hz 2.4·1012 4·1012 2.9·1012 4·1012 3.9·1012 4 ·Tg, K 0 0 0 0 12 = 0 exp(U/Tm)(1) Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Закон Фогеля–Фулчера — характерная особенность сегнетостекольной фазы в танталате калия... параллельно соединенная емкость позволяет достаточно хорошо учесть влияние пространственного заряда.

На рис. 5, a приведены данные диэлектрических измерений в режиме FC для KTaO3: 1% Li с учетом эффекта пространственного заряда. Температурная зависимость нелинейной части диэлектрической восприимчивости, т. е. величина (T, E) - (T, 0), представлена на рис. 5, b. Видно, что при температурах ниже некоторой температуры Tg, которую обычно называют „температурой замерзания“ дипольного стекла (температура, при которой дипольная система теряет свою эргодичность), диэлектрическая восприимчивость в постоянном электрическом поле уменьшается. Подобное поведение (T) в поле наблюдалось и в KTaO3: 1.6%Li.

В образцах KTaO3: 3% Li влияние электрического поля на восприимчивость было существенно иным.

Заметное влияние электрического поля наблюдалось лишь при T < 50 K. В слабых электрических полях (E 0.5kV/ cm) иприT 50 K значения возрастали, однако при E 1 kV / cm диэлектрическая восприимчивость уменьшалась, т. е. величина (T, R) - (T, 0) была как положительной, так и отрицательной (рис. 6, a и b). Одновременно на температурной зависимости в области температур T < 50 K появлялся широкий максимум. Возможно, с возрастанием частоты указанный максимум сдвигается в область более высоких температур, однако мы не беремся анализировать здесь этот эффект из-за неопределенности положения данного пика. Обнаружено также существенное влияние постоянного электрического поля на скачок значений при T 50 K. Аномалия становится меньше и полностью исчезает в полях величиной 1-2kV/ cm.

Рис. 5. a) Влияние постоянного электрического поля на температурную зависимость KTaO3: 1% Li, измеренной в режиме FC на частоте 100 kHz. b) Температурная зависимость нелинейной части.

2. Диэлектрическая восприимчивость в рамках теории случайных полей Рассмотрим температурные и частотные зависимости диэлектрической восприимчивости разупорядоченных сегнетоэлектриков. В общем случае диэлектрическая восприимчивость определяется реориентационным движением электрических диполей. В разупорядоченных сегнетоэлектриках скорость реориентаций диполей сильно зависит от случайных полей в месте их нахождения из-за влияния этих полей на величину барьера между эквивалентными равновесными положениями диполей с Рис. 4. Температурная зависимость KTaO3: 1% Li, измеразными направлениями дипольного момента [9]. Очеренной в режиме охлаждения без поля (ZFC) до приложения видно, что наблюдаемый диэлектрический отклик может постоянного электрического поля (кружки) и после прилобыть получен путем усреднения по величинам случайжения поля E0 = 1.4kV/ cm (квадраты). Сплошные линии ных полей с учетом их функции распределения. В рабопредставляют скорректированные экспериментальные данные после исключения влияния пространственного заряда. те [5] для диполей с двумя возможными ориентациями Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1228 В.В. Лагута, М.Д. Глинчук, И.В. Кондакова было выполнено усреднение с функцией распределения, учитывающей как линейные, так и нелинейные эффекты во внешних и внутренних (случайных) полях [10], и получено следующее выражение для диэлектрической восприимчивости:

4 Q =, (3) 0 1 - Q 2E0 Ei Q = th exp(-A3/2 - C2) kT 0 cos (E + E0L) sin(Ei) dEi d, (4) 1 + i1(Ei) 3/32 Ze 16 d A = n1, C = nr3, 15 2 0 15 0r3 c c 4nd2 ch(2Ei/kT ) E0 =, 1 =. (5) 0 ch(Ei/kT) Здесь E — внешнее постоянное электрическое поле, а переменное измерительное поле предполагается малым и стремится к нулю; n — концентрация электрических диполей с дипольным моментом d; d = d(0 - 1)/3, — фактор Лорентца, 0 — статическая диэлектрическая восприимчивость KTaO3 как основной решетки; L — сегнетоэлектрический параметр порядка (безразмерная поляризация), характеризующий число когерентно сориентированных диполей; n1 — концентрация точечных заряженных дефектов с зарядом Ze;

rc — корреляционный радиус основной решетки; Ei — внутренние случайные поля с функцией распределения, Рис. 6. Температурная зависимость в KTaO3: 3% Li, изполученной в рамках статической теории (см. [4]). Здесь меренной в режиме ZFC (сплошная линия) и в режиме FC = 0 exp(U/kT) — закон Аррениуса для реориентаци (пунктирная линия) в постоянных электрических полях 0.5 (a) онного движения диполей между двумя эквивалентными и 2 kV / cm(b).

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.