WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7 О кинетике медленной поляризации сегнетоэлектрического релаксора магнониобата свинца © В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.В. Пронина Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, 117333 Москва, Россия E-mail: glad@ns.crys.ras.ru (Поступила в Редакцию 4 июня 2002 г.

В окончательной редакции 24 декабря 2002 г.) Приводятся результаты регистрации поляризации и переполяризации (100)-среза образца кристалла магнониобата свинца в медленно изменяющемся и постоянном электрических полях в температурном интервале, включающем релаксорное и индуцируемое полем сегнетоэлектрическое состояния. Показано, что поляризация во всем интервале имеет характерные для релаксоров особенности: несовпадение разомкнутых траекторий поляризации для нескольких первых циклов квазистатических петель диэлектрического гистерезиса и гигантские времена релаксации. Медленная термоактивационная стадия релаксации следует универсальному степенному временному закону, позволяющему восстановить возможные простые спектры распределения времени релаксации. Построены температурные зависимости некоторых параметров релаксации и спектров и обсуждаются их различия в релаксорной и сегнетоэлектрической фазах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 02-02-16823) и INTAS (N 01-0173).

Кристалл магнониобата свинца PbMg1/3Nb2/3O3 десятка работ, посвященных новым материалам с ре(PMN) является типичным представителем смешанных лаксорными свойствами (см., например, [9,10]) и новым твердых оксидных соединений со структурой перовски- особенностям физических свойств релаксоров. Диэлекта, впервые синтезированных и исследованных Г.А. Смо- трические свойства PMN исследовались, как правило, в ленским с сотрудниками и получивших название сегне- переменных низкочастотных электрических полях [1–17] тоэлектрических релаксоров [1,2]. В отличие от обычных или в переменных полях и постоянном смещающем поле [6–8,11–14,18]. Показано, что основной вклад в сегнетоэлектриков у релаксоров структура существенно разупорядочена из-за флуктуаций состава, а фазовый пе- высокую диэлектрическую проницаемость связан с движением доменных границ [13]; сегнетоэлектрический реход в полярное состояние размыт в широкой области переход, индуцируемый электрическим полем, наблютемператур (область Кюри) [2,3].

дается по аномалиям диэлектрической проницаемости, В области Кюри неоднородная макроскопическая по-видимому, на трех срезах (111), (110), (100) криструктура PMN представляет собой неполярную матсталла [14,18], наиболее вероятное время релаксации по рицу, содержащую мелкие полярные области данным измерения дисперсии диэлектрической проница(нанодомены), суммарная по объему кристалла поляемости достигает при низких температурах гигантских ризация которых равна нулю, диэлектрическая пронизначений [8,15], анализируется механизм нелинейной по цаемость имеет широкий максимум при температуре полю составляющей поляризации [13,15,18].

Tm 270 K и ярко выраженную дисперсию в низкоча= В настоящем сообщении приводятся результаты исстотном диапазоне, петли диэлектрического гистерезиса следования поляризации среза (100) кристалла PMN при имеют плохо выраженное „насыщение“ и медленно медленно изменяющемся (квазистатическом) электридеградируют при нагревании [4]. Внешнее постоянное ческом поле и релаксации поляризации для процессов электрическое поле при T 215 K вызывает фазовый = поляризации и деполяризации в реальном времени при переход из релаксорного в сегнетоэлектрическое состопостоянных полях [19] в интервале температур, вклюяние, при этом симметрия понижается от группы m3m чающем релаксорное и сегнетоэлетрическое состояния.

до 3m, появляются двупреломление, обычная крупноТакое исследование позволяет составить представление масштабная доменная структура [5] и отчетливо выо наиболее долгоживущих метастабильных состояниях раженные диэлектрические аномалии [6,7]. Возможная кристалла, время отклика которых на внешнее поле префазовая диаграмма PMN в координатах электрическое вышает 3 h, что соответствует частоте поля 10-4 Hz.

поле–температура приводится в [6–8].

Сегнетоэлектрические релаксоры, представляющие фундаментальный и практический интерес благодаря 1. Методика измерений необычно высоким значениям поляризации, диэлектрической проницаемости и многим другим зависящим от Измерение диэлектрической проницаемости проних физическим характеристикам, интенсивно исследу- водилось по стандартной мостовой схеме в слабом ются в настоящее время. Ежегодно появляется более переменном поле с частотой 1 kHz, а поляризации и деО кинетике медленной поляризации сегнетоэлектрического релаксора магнониобата свинца поляризации — компенсационным электрометрическим методом с помощью равноплечего моста, в диагональ которого включался нуль-индикатор–электрометр В7-29.

Четыре плеча моста составляли исследуемый образец, эталонная емкость C и источники поляризующего U(t) и компенсирующего u(t) напряжений. Компенсация напряжения в диагонали моста осуществлялась программным способом на персональном компьютере IBM PC и периферийных управляемых блоках. Изменение компенсирующего напряжения u(t) воспроизводилось на мониторе в режиме реального времени. По этим данным рассчитывались поляризацация P = Cu(t)/S (S —площадь электродов) и ее изменение со временем t и напряжением U. Максимальная чувствительность моста по напряжению составляет 20 µV, по заряду — 2 · 10-9 µC при C = 10 pF. Подробное описание устройства и работы автоматического электрометрического моста при Рис. 1. Температурная зависимость диэлектрической проницарегистрации релаксации поляризации со временем приемости кристалла PMN на частоте 1 kHz. На вставке — в водится в [20], при регистрации петель диэлектрического области сегнетоэлектрического фазового перехода в смещаюгистерезиса в квазистатическом поле — в [21]. Период щем поле E = 3kV/cm.

изменения поля 1 h. Время регистрации релаксации поляризации 3 h, что соответствует нижней границе частоты 10-4 Hz. Такое время выбиралось из соображедо заданной температуры в нулевом поле, т. е. образец ний приемлемых величин ошибок при оценке параметне подвергался отжигу, который проводится обычно ров спектров распределения времен релаксации PMN, при более высокой температуре [15]. После охлаждения так как ошибка уменьшается при увеличении продолначальная средняя по образцу поляризация равна нулю, жительности измерений [22]. Образец для исследований так как у кристалла PMN в нулевом поле отсутствует представлял собой прямоугольную пластину размером пироэлектрический эффект. Петли гистерезиса для раз3 2 0.2 mm, большая грань которой являлась среличных температур, представленные на рис. 2, не имеют зом (100) кристалла PMN. Электроды для измерений отчетливо выраженного „насыщения“, а их амплитуда наносились на большую грань серебряной пастой.

быстро возрастает с ростом амплитуды переполяризующего поля, так как образцы PMN с ориентацией (100) по данным оптического наблюдения доменов [7] 2. Результаты и обсуждение не становятся монодоменными даже в полях вплоть 2.1. Диэлектрическая проницаемость. Фазо- до 150 kV/cm. Необычным является вид петель гистерезиса PMN. В отличие от однородных сегнетоэлектриков вым превращениям PMN при понижении температуры соответствуют два максимума диэлектрической прони- траектории нескольких первых циклов петель представцаемости, измеренной в слабом переменном электри- ляют собой разомкнутые и не совпадающие кривые с уменьшающейся амплитудой. Затем уменьшение амплическом поле частотой 1 kHz (рис. 1). Большой широкий максимум отмечает среднюю по образцу темпера- туды прекращается, и петли принимают привычный вид, т. е. становятся как обычно воспроизводимыми. Различие туру Tm 270 K перехода в релаксорное состояние.

= первых циклов петель особенно велико в индуцируемой Небольшой узкий максимум находится при температуре полем сегнетоэлектрической фазе, в релаксорном состоTc 215 K сегнетоэлектрического фазового перехода = янии это различие уменьшается при нагревании и выше и наблюдается только при одновременном воздействии температуры Tm практически исчезает (рис. 2). Такие на кристалл слабого переменного и постоянного поля особенности петель характерны, по-видимому, для всех 3 kV/cm (вставка на рис. 1). Величина этого узкого релаксорных сегнетоэлектриков, и впервые обнаружены максимума много меньше наблюдаемого в [6–8,14] для пластин образцов срезов (111) и (110). О диэлектри- и исследованы нами в [23] и позднее также в [24] у ниоческих аномалиях при сегнетоэлектрическом фазовом бата бария-стронция (SBN) с примесями — в отличие переходе под смещающим электрическим полем для от обычных петель для однородного сегнетоэлектрика образца среза (100) сообщалось также в [14,18]. TGS [25].

2.2. К в а з и с т а т и ч е с к и е п е т л и д и э л е к т р и - Происхождение своеобразных петель, возможно, свяч е с к о г о г и с т е р е з и с а. Регистрация каждой пет- зано со случайными внутренними локальными электрили зависимости поляризации от электрического по- ческими полями Ei, возникающими в объеме релаксора ля проводилась после нагревания до температуры вследствие флуктуаций состава и понижения локальT = 300 K > Tm и последующего охлаждения образца ной симметрии. Поле Ei искажает форму зависимости Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1240 В.В. Гладкий, В.А. Кириков, Е.В. Пронина Рис. 2. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса кристалла PMN при различных температурах T, K: 1 — 200, 2 — 210, 3 — 230, 4 — 274, 5 — 283.

локальной свободной энергии F от поляризации P, образца кристалла не определяется начальным направкоторая становится асимметричной двухминимумной лением электрического поля, так как при изменении функцией P [4]. Поэтому до регистрации петли одна его знака на противоположный она остается прежней часть кристалла может находиться в метастабильном (рис. 3). Независимость наведенной переменным полем состоянии (с мелким минимумом F), а другая — в ста- униполярности от знака первой четверти периода поля бильном (с глубоким минимумом F). При включении свидетельствует о том, что эта особенность поляризапеременного квазистатического поля E определенной ции является характеристикой конкретного образца с амплитуды многие области кристалла успевают перейти неравными поляризуемостями в двух противоположных в стабильное состояние с глубоким минимумом F, эквивалентных по симметрии направлениях. Похожая из которого обратный переход в прежнее состояние ситуация наблюдается, как правило, у всех образцов становится практически невозможным из-за слишком обычных сегнетоэлектриков с крупномасштабной доменбольшого барьера. В результате часть кристалла не ной структурой и, в частности, у релаксоров SBN [26], принимает участия в дальнейшем процессе переполяри- у которых даже в отсутствие электрического поля в зации, траектории петель не замыкаются и уменьшаются полярной фазе существует легко обнаруживаемый пипо амплитуде до тех пор, пока в поле выбранной роэлектрический эффект, используемый часто для иденвеличины не закончатся возможные переходы в ста- тификации сегнетоэлектрического фазового перехода.

бильные состояния [23]. По-видимому, в большом поле, Кристалл PMN с релаксорной и сегнетоэлектрической которое должно ликвидировать все барьеры при перепо- фазами позволяет проследить за тем, как наведенная поляризации, петля диэлектрического гистерезиса должна лем униполярность изменяется с изменением масштаба быть всегда воспроизводимой как у всех однородных неоднородностей.

сегнетоэлектриков. Далее по данным регистрации процессов поляризации Петли на рис. 2 являются униполярными, т. е. кри- и деполяризации будет показано, что специфические сталл PMN, не имеющий начальной поляризации, после для релаксоров петли диэлектрического гистерезиса многократного циклического изменения поля становит- кристаллов PMN не имеют однозначных коэрцитивного ся частично поляризованным в одном из двух про- поля и равновесной поляризации, величина которой у тивоположных направлений. Униполярность тем боль- однородных сегнетоэлектриков всегда определенна и ше, чем ближе кристалл к индуцированному полем равна спонтанной поляризации.

сегнетоэлектрическому состоянию с крупномасштабной 2.3. Релаксация поляризации. Анализ результанеоднородной (доменной) структурой. Такая же осо- тов регистрации поляризации P в постоянных электрибенность петель гистерезиса наблюдалась нами в ре- ческих полях позволяет получить данные о некоторых лаксорном сегнетоэлектрике SBN [23]. Униполярность параметрах кристалла с долгоживущими метастабильФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. О кинетике медленной поляризации сегнетоэлектрического релаксора магнониобата свинца от расчетных не превышает 0.5%. Аппроксимация данных измерения P(t) степенной функцией (1) с тремя свободными параметрами Pe, a, n проводились методом наименьших квадратов по стандартной программе.

Отметим, что эмпирический степенной закон (1) для релаксации, по-видимому, является универсальным для многих неоднородных систем, поскольку при определенных ограничениях на величины свободных параметров он практически не отличается от различных других неэкспоненциальных функций, предлагаемых ранее для описания релаксации некоторых материалов [26].

Нетрудно также убедиться в том, что в отличие от давно известного закона релаксации Кольрауша, во-первых, закон (1) дает более правильное описание релаксации P(t) на малых временах, так как производная dP(t)/dt всегда должна быть конечной величиной, и, во-вторых, в приближении независимости центров релаксации закону (1) строго соответствует простая функция f ( ) распределения времени релаксации. Функция f ( ) и безразмерная поляризация p(t) в (1) связаны соотношением Рис. 3. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса кристалла PMN для различных начальных направлений пере поляризующего поля при T = 210 K.

p(t) = f ( ) exp(-t/ )d.

ными состояниями на больших временах. На рис. Функции f ( ) и p(t) являются соответственно ориприведены кривые релаксации P для кристалла PMN гиналом и изображением интегрального преобразования при включении (процесс поляризации) и выключении Лапласа [27], и если степенной закон (1) выполняется с (процесс деполяризации) поля E = 3 kV/cm. Оба проудовлетворительной точностью, тогда для функции f ( ) цесса начинаются скачком P (вставки на рис. 4), а заможно написать выражение тем продолжаются по термоактивационному механизму.

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.