WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 7 Термостимулированная электронная эмиссия полярного скола кристалла триглицинсульфата © О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, А.С. Сидоркин, А.А. Сидоркин Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия E-mail: sidorkin@dom.vsu.ru (Поступила в Редакцию 19 декабря 2000 г.) Приводятся результаты экспериментальных исследований термостимулированной электронной эмиссии с положительной (” + ”) и отрицательной (” - ”) поверхностей сколов сегнетоэлектрического кристалла ТГС.

Показано, что плотность эмиссионного тока j с ”-” поверхности всегда больше по сравнению с током с ”+” поверхности во всем исследованном интервале от комнатных температур до температуры Кюри. Характер зависимостей j(T ) существенно зависит от степени естественной униполярности образцов. Полученные результаты обсуждаются в рамках механизма автоэлектронной эмиссии электронов из поверхностных электронных состояний.

Работа выполнена при поддержке гранта Нидерландской организации по научным исследованиям (NWO) ”Nonlinear dielectric films for nanotechnology”.

Эмиссия электронов продолжает оставаться широко зируется зависимость величины тока эмиссии от степени применяемым на практике методом контроля состоя- исходной униполярности образца, которая определяется концентрацией дефектов в материале.

ния поверхности различных материалов, что связано в первую очередь с высокой чувствительностью данного метода. В сегнетоэлектриках указанная эмиссия может 1. Методика исследований быть стимулирована любым воздействием, меняющим и результаты полярное состояние поверхности материала: приложением электрического поля, изменением температуры или Исследования электронной эмиссии в настоящей рамеханическим воздействием на образец. Традиционно в боте проводились на образцах номинально чистого крилитературе рассматриваются два первых способа стисталла ТГС, выращенного в сегнетоэлектрической фамуляции [1–4]. Эмиссия электронов из сегнетоэлекзе путем понижения температуры насыщения раствора.

триков, стимулированная механической деформацией, Из выращенного кристалла выпиливался прямоугольисследована в гораздо меньшей степени. В частности, ный брусок с наибольшим размером вдоль полярного в работе [5] показано, что величина тока эмиссии элекнаправления, который затем раскалывался в воздушной тронов высоких энергий, зарегистрированного сразу посатмосфере по плоскостям спайности на образцы по ле раскалывания кристалла в вакууме при комнатной схеме, описанной в [10]. Толщина образцов была порядка температуре, зависит от знака полярной поверхности 1.5 mm, площадь 50 mm2. Для всех исследуемых скола сегнетоэлектрического кристалла триглицинсульобразцов и до, и после эмиссионных измерений, которые фата (ТГС).

заканчивались после удаления от точки Кюри в парафазу, изучалась доменная структура и по соотношению Проведенные нами ранее исследования [6–8] покаплощадей доменов разного знака оценивалась степень зали, что эмиссионные свойства сегнетоэлектрических естественной униполярности образцов [10]. Для каждой кристаллов в значительной степени определяются разпары образцов, представляющих собой зеркальный скол, личного рода дефектами. Это могут быть как ростовые контролировался знак доменов, выходящих на поверхдефекты, так и радиационные нарушения материала. Их ность материала.

влияние может проявляться через создание центров, Измерения плотности тока электронной эмиссии осуактивных в эмиссии, и блокировку доменных границ, осуществлялись по стандартной методике [1] в вакууме ществляющих переполяризацию сегнетоэлектрического 10-5 mm Hg. Исследования проводились в интерматериала [6,7], а также через формирование униполярвале температур от комнатных до температуры Кюри.

ного состояния в материале [9], которое характеризуется Температура образца измерялась медьконстантановой наличием так называемого внутреннего поля [10].

термопарой и контролировалась одновременным измеВ настоящей работе приводятся результаты исследорением емкости другого образца чистого кристалла ТГС.

ваний термостимулированной электронной эмиссии с Погрешность измерения тмпературы не превышала 5%.

положительно и отрицательно заряженных поверхностей Скорость нагрева составляла 1-1.2 K/min. Вся пообразцов кристалла ТГС, полученных путем скалывания ступающая информация записывалась и обрабатывалась (” + ” и ” - ” сколов). В работе устанавливается и анали- с помощью компьютера.

Термостимулированная электронная эмиссия полярного скола кристалла триглицинсульфата тура с доменами, равномерно разбросанными по всей изучаемой поверхности. Для образцов, расположенных с противоположной стороны от затравки, наблюдаются полосатые вытянутые домены. Различие в доменной структуре указанных образцов коррелирует с различием температур их формирования. Температура, при которой в процессе роста формировалась доменная структура первой группы образцов, составляла около 38C, т. е.

была расположена в области перестройки доменной структуры. Температура формирования униполярности второй группы образцов была значительно ниже: 32C.

Проведенные в работе измерения тока электронной эмиссии из кристалла ТГС показали, что по мере удаления от затравки меняются величина и характер указанной эмиссии. При этом во всем исследованном температурном интервале плотность эмиссионного тока jem с отрицательно заряженной поверхности скола всегда больше, чем jem с исходно положительно заряженной поверхности.

Рис. 1. a — изменение униполярности образцов кристалла На рис. 2 представлены типичные зависимости jem(T ) ТГС в зависимости от их положения и расстояния от затравки.

для образцов зеркального скола с высокой степенью b — соответствующие образцам температуры роста.

униполярности. Обращает на себя внимание то, что начало эмиссии с ” + ” скола (кривая 2 на рис. 2) происходит при температурах на 3–5 градусов выше по сравнению с началом эмиссии с ” - ” скола (кривая Графические зависимости, приведенные на рис. 1, a, на рис. 2).

иллюстрируют изменение степени исходной униполярУменьшение униполярности по мере удаления ности в образцах, расположенных на разных расстообразца от затравки приводит к меньшим средним яниях от затравки. На рис. 1, b указаны температуры значениям плотности эмиссионного тока: от роста, соответствующие расположению каждого образца (4-5)·103 count/(s · cm2) для образцов с = 80-90% до в выращенном кристалле.

(2.5-3.5) · 103 count/(s · cm2) для образцов с = 60%.

Обращает на себя внимание то, что по одну сторону Характерно, что для поверхности ” - ” скола образцов от затравки степень униполярности для большинства с малой степенью униполярности высота максимума образцов достаточно высока ( 90%) и резко убывает до эмиссионного тока в области перестройки доменной практически неуниполярного состояния ( 40-50%) поструктуры всегда больше, чем в области фазового сле перехода температуры роста кристалла через 37C, перехода.

т. е. через температуру перестройки доменной структуры кристалла ТГС [11]. По другую сторону от затравки степень униполярности вблизи затравки также велика (+95%), но имеет другой знак, что коррелирует с экспериментальными результатами измерений внутреннего смещающего поля [10]. По мере удаления от затравки униполярность плавно уменьшается и при той же температуре перестройки доменной структуры (37C) меняет знак на противоположный.

Отметим, что все указанные значения униполярности соответствуют начальной (комнатной) температуре измерений. После даже однократных измерений, оканчивающихся переводом исследуемого образца в парафазу, все изучаемые образцы становились полностью неуниполярными.

Для образцов, расположенных по разные стороны от затравки, характерно также различие их доменных структур. Для группы образцов, расположение которых Рис. 2. Температурная зависимость плотности эмиссионного соответствует положительному направлению полярной тока с ” - ” (1) и ” + ” (2) поверхностей образцов чистого оси на рис. 1, характерна линзовидная доменная струк- кристалла ТГС с коэффициентом униполярности = 90%.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1274 О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, А.С. Сидоркин, А.А. Сидоркин 2. Обсуждение полученных В рамках указанного механизма очевидно, что только суммарный отрицательный заряд поверхности материала результатов способствует выбросу электронов за поверхность образца. При этом также очевидно, что чем выше униполярВозможные причины возникновения внутреннего поля ность образца, тем больше величина поля E, активного в смещения и униполярного состояния сегнетоэлектриков были рассмотрены в [10]. Благодаря разнице в коэффи- эмиссии, и тем, следовательно, больше величина плотности эмиссионного тока j, наблюдаемого в эксперименте.

циенте захвата примесей и их подвижности, связанных Наблюдение эмиссии с поверхности образцов ” + ” с их размерами фронт кристаллизации представляет скола может быть объяснено следующими причинасобой поверхность, эффективно разделяющую заряды разного знака. В результате указанного разделения в на- ми. Униполярность означает наличие преимущественной ориентации вектора спонтанной поляризации в соответправлении, перпендикулярном фронту кристаллизации, ствующих доменах и, следовательно, наличие преимущевозникает эффективное электрическое поле, которое является ориентирующим фактором для вновь захваты- ственного заряда на поверхности образца. В то же время очевидно, что локально и на поверхности ” + ” скола ваемых составных дипольных комплексов, состоящих из существуют области, несущие отрицательный заряд, козаряженных примесей разного знака. Разница в энергии торый также может быть активным в эмиссии. С уветаких ориентированных полярных дефектов в доменах личением степени униполярности доля таких участков разного знака создает предпочтительное направление уменьшается, что и приводит к снижению эмиссии.

поляризации, т. е. формирует униполярную доменную Сдвиг температуры начала возникновения эмиссии в структуру [12].

Описанный механизм возникновения внутреннего сме- образцах ” + ” скола в сторону высоких температур щающего поля, очевидно, действует не только при вы- может быть связан с тем, что для вылета электронов с поращивании кристаллов, легированных специальными до- ложительно заряженной поверхности требуется большая бавками, но и в случае так называемых номинально чи- стартовая энергия, что и приводит к увеличению температуры начала эмиссии электронов у таких образцов.

стых кристаллов, которые всегда содержат определенное количество неконтролируемых примесей.

Все полученные результаты демонстрируют сущеСписок литературы ственную зависимость наблюдаемого эмиссионного эффекта от степени естественной униполярности образ[1] А.М. Косцов, А.С. Сидоркин, В.С. Зальцберг, С.П. Грибков.

цов. Как уже отмечалось, плотность эмиссионного тока ФТТ 24, 11, 3436 (1982).

всегда больше для ” - ” поверхности, чем для ” + ” [2] А.С. Сидоркин, А.М. Косцов, В.С. Зальцберг. ФТТ 27, 7, поверхности скола. Эти данные коррелируют с экспери- 2200 (1985).

ментальными результатами работы [4], в которой эмис- [3] А.С. Сидоркин, П.В. Логинов, А.М. Саввинов, А.Ю. Кудзин, Н.Ю. Короткова. ФТТ 38, 2, 624 (1996).

сия, стимулированная внешним электрическим полем, [4] K. Biedrzycki. Phys. Stat. Sol. (a) 109, K79 (1988).

наблюдается только в тот полупериод внешнего пере[5] Е.В. Минакова, Н.А. Тихомирова, Ю.А. Хрусталев. ПФХМ менного поля, когда на активной поверхности образуется 7, 135 (1986).

отрицательный заряд. Кроме того, это соответствует и [6] А.С. Сидоркин, А.М. Косцов. ФТТ 33, 8, 2458 (1991).

данным [5], согласно которым большая эмиссия элек [7] A.S. Sidorkin, B.M. Darinskii. Appl. Surf. Sci. 111, 325 (1997).

тронов высоких энергий на свежем сколе в вакууме [8] А.А. Сидоркин, С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, наблюдается на отрицательно заряженной поверхности А.С. Сидоркин. ФТТ 42, 4, 725 (2000).

сегнетоэлектрического материала.

[9] А.С. Сидоркин, А.М. Косцов. В кн.: Эмиссия и рассеивание Наблюдаемая термоэмиссионная активность исслеэлектронов твердым телом. ЛГПИ, Л. (1988). С. 19.

дуемых сегнетоэлектриков, как и совокупность дру- [10] B.M. Darinskii, A.S. Sidorkin, S.D. Milovidova. Ferroelectrics 142, 45 (1993).

гих экспериментальных результатов [1–4], может быть [11] V.A. Kopsik, N.D. Gavrilova, V.K. Novik. J. Phys. Soc. Jap. 28, объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поSuppl., 382 (1970).

верхностных электронных состояний в поле зарядов [12] А.П. Леванюк, В.В. Осипов, А.С. Сигов, А.А. Собянин.

экранирования спонтанной поляризации. В состоянии ЖЭТФ 76, 345 (1979).

равновесия поле зарядов спонтанной поляризации обычно скомпенсировано, например зарядами, осаждающимися из атмосферы, так что поверхность сегнетоэлектрика не обнаруживает электрической активности. Нарушение компенсированности указанных полей за счет уменьшения спонтанной поляризации при приближении к точке Кюри приведет к появлению отличного от нуля суммарного поля, направление которого определяется уже полем компенсирующих зарядов. Данное поле и является тем фактором, который приводит к выбросу электронов из ловушек на поверхностных электронных состояниях.




© 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.