WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 7 Поляризация и деполяризация релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария–стронция © В.В. Гладкий, В.А. Кириков, С.В. Нехлюдов, Т.Р. Волк, Л.И. Ивлева Институт кристаллографии Российской академии наук, 117333 Москва, Россия Институт общей физики Российской академии наук, 117942 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 15 декабря 1999 г.) В квазистатическом и постоянном электрических полях обнаружены аномалии поляризации релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария–стронция: несовпадение траекторий петель гистерезиса для нескольких первых циклов переполяризации, отсутствие определенного коэрцитивного поля и др. Аномалии обусловлены существенно неоднородной структурной кристалла, являющегося ярко выраженной неэргодической системой со случайным распределением большого локального внутреннего поля. Получены спектры распределения потенциальных барьеров по энергии для поляризации и деполяризации при различных по величине электрических полях и температурах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 99-02-17303).

Первыми материалами, названными релаксорными Диэлектрические свойства релаксоров измерялись, как сегнетоэлектриками, были неоднородные по составу кри- правило, в переменных электрических полях [1,2,7].

сталлы со структурой перовскита [1]. Позднее появи- В настоящей работе приводятся результаты исследовались другие соединения со структурой вольфрамовой ния поляризации SBN в постоянных и медленно изменябронзы, в частности твердые растворы SrxBa1-xNb2O6 ющихся (квазистатических) полях, которые позволяют (SBN) (0.75 x 0.25) [2]. Физические свой- учесть вклад наиболее долгоживущих центров релаксации с нижней частотной границей дисперсии поляризуества таких соединений, представлящие большой интерес мости вплоть до 10-5 Hz.

для применений в пьезотехнике, нелинейной оптике и голографии [3,4], обладают следующими особенностями. Аномалии свойств, связанные с переходом SBN из неполярной (точечная группа D4d [5]) в полярную 1. Методика эксперимента фазу (C4v [2]), существенно размыты по температуре.

и аппаратура Например, диэлектрическая проницаемость в слабом электрическом поле при некоторой температуре Tm имеКристаллы SBN (x = 0.61) с редкими землями выет слабо выраженный широкий максимум. В области Tm ращены методом Чохральского в НЦЛМиТ ИОФ РАН.

в низкочастотном диапазоне наблюдается характерная Состав SBN–0.61 является конгруэнтным и обладает дисперсия и диэлектрических потерь, а узкие ”вытянаилучшим оптическим качеством [9]. Для исследования нутые” петли диэлектрического гистерезиса существуют поляризации выбран монокристалл SBN–0.61 с двойным в большом температурном интервале как ниже, так и легированием 1 вес.% La и 0.01 вес.% Ce в расплаве выше Tm и медленно деградируют при нагревании [6,7].

(0.44 mol.% La и 0.023 mol.% Ce в кристалле [10]).

При увеличении концентрации Sr [2] и легировании Введение малой концентрации Ce требовалось для паSBN примесями редкоземельных элементов [3,8] резко раллельных исследований фоторефрактивных эффектов снижается Tm и характерные для релаксора свойства в этом кристалле как наиболее перспективном материале выражены более отчетливо.

для динамической голографии [4]. Кристалл имеет Размытие фазового перехода и особенности физиче- наименьшее значение температуры Tm, поэтому ожиских свойств обусловлены структурным разупорядоче- даемое аномальное поведение поляризации вблизи Tm нием и флуктуациями состава [1,2,7], которые приводят более доступно для регистрации методом прецизионной к появлению в широком интервале температур, вклю- электрометрии, для применения которого необходимо чающем точку Tm, локальных искажений симметрии и сравнительно большое электросопротивление R образца, внутренних электрических полей. Для SBN такой беспо- уменьшающееся с повышением температуры. По нашим рядок связывается с разупорядочением иона Sr по двум оценкам, R 9.8 1012 при 0Cи 22 1012 Ohm при катионным узлам. В результате весь кристалл должен 20C. На рис. 1 приводятся температурные зависимости представлять собой неполярную матрицу, в которую диэлектрической проницаемости 33 исследуемого и неслучайно вкраплены мелкие спонтанно поляризованные легированного кристаллов SBN–0.61 для измерительнообласти (нанодомены) [7]. го поля 0.5 V/cm. Видно, что легирование приводит к Поляризация и деполяризация релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария–стронция числение температуры в программном блоке проводилось с использованием полинома четвертой степени.

Шлифованный образец полярного среза имел форму прямоугольной пластины размером 440.7 mm. Большие грани пластины покрывались электропроводящей серебряной пастой. Погрешность стабилизации температуры термостата 0.03 K.

2. Результаты и обсуждение В любом кристалле изменение поляризации с температурой в отсутствие внешнего электрического поля E (пироэлектрический эффект) свидетельствует прежде Рис. 1. Температурные зависимости диэлектрической провсего о существовании спонтанной поляризации Ps, а ницаемости 33 легированного (1–3) и нелегированного (4) в случае неоднородной структуры — о неравенстве кристалла SBN. 1 —0.1, 2 —1, 3 — 20 kHz.

объемов областей со взаимно противоположными направлениями Ps (униполярности). Изменение поляризации P при охлаждении и нагревании образца SBN в области существенному смещению Tm, размытию максимума 33 температур ниже Tm для E = 0 и E = 0 показано на рис. 2. Направления поля E и начальной поляризации и дисперсии 33.

P0 совпадают. Время охлаждения от точки A до B или Поляризация P измерялась при следующих режимах нагревания от B до A 160 min. Температурный изменения внешнего электрического поля E и темпегистерезис свидетельствует о наличии в кристалле долгоратуры T : медленное ступенчатое изменение T при живущих метастабильных состояний. В результате после E = 0 или E = 0 при регистрации пироэлектрического цикла охлаждения и последующего нагревания величиэффекта, медленное ступенчатое циклическое изменена поляризаци больше начальной. При охлаждении до ние E с периодом 1 час при различных температурах более высокой промежуточной температуры (точка C) T = const при регистрации петель гистерезиса, мгнотемпературный гистерезис меньше и кривая P(T) при венное включение или выключение постоянного E при нагревании проходит ниже.

T = const при регистрации релаксации P. Перед каждым Своеобразную форму имеют петли диэлектрического измерением образец нагревался выше температуры Tm, а гистерезиса зависимости P от E. На рис. 3 приводятся затем охлаждался до заданной температуры.

петли для случаев, когда в первой четверти периода Основной элемент схемы — электрометрический направления индуцируемой полем E поляризации P и равноплечий мост с нуль-индикатором электрометром В7–29. Минимальное измеряемое напряжение — 20 µV, минимальный заряд — 4 10-6 µC. Компенсация напряжения в диагонали моста осуществлялась программным способом на персональном компьютере и периферийных управляемых блоках с шагом 0.15 mV. Регистрация релаксации проводилась в режиме реального времени.

Подробное описание устройства и работы схемы приведено в [11]. Для регистрации петель гистерезиса к установке добавлены управляемый источник напряжения Б5–50 (0-300 V) с изменяемой полярностью выхода и программный блок, позволяющие снимать последовательно несколько циклов переполяризации с шагом напряжения, кратным 1 V, и временем шага, кратным 1 s.

Максимальное количество шагов — 1200. Величину шага по напряжению, его длительность и максимальное значение напряжения можно менять в процессе эксперимента. Полярность электрического поля начального участка петли задается перед экспериментом.

При исследовании пироэлектрического эффекта к установке подключались вольтметр Щ-300, измеряющий напряжение дифференциальной термопары (тающий лед — держатель образца), и программный блок, Рис. 2. Изменение поляризации P при охлаждении и обеспечивающий обработку значений температуры. Вы- нагревании кристалла SBN. 1 —поле E = 0, 2 — 300 V/cm.

10 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1298 В.В. Гладкий, В.А. Кириков, С.В. Нехлюдов, Т.Р. Волк, Л.И. Ивлева Рис. 3. Петли диэлектрического гистерезиса зависимости P (µC/cm2) от E (kV/cm) при различных температурах T и направлениях начального поля E для кристалла SBN. a — направления начальных E и P0 противоположны; b, c, d — одинаковы; T = 274 (a, b), 250 (c), 236 K (d). На вставке — локальная свободная энергия F как функция поляризации P.

начальной, отличной от нуля спонтанной поляризации этом петли принимают привычный вид, а амплитуда P0 противоположны (a) и одинаковы (b, c, d) при трех изменения P по сравнению с первым циклом много температурах 274 (a, b), 250 (c) и 236 K (d). Начало про- меньше. Петли смещены по оси P, т. е. образец имеет цесса переполяризации отмечено черными квадратами, а начальную поляризацию P0 = 0 (униполярность), напра граничные значения P, соответствующие максимальным вление которой (знак) совпадает с направлением P0 при значениям E, — черными кружками и цифрами в порядке измерении пироэлектрического эффекта (рис. 2). При их последовательности во времени. уменьшении амплитуды E петля не изменяет формы, оставаясь подобной, но с меньшей амплитудой P (заОбщая особенность всех петель в отличие от петель штрихована на рис. 3). При понижении температуры увеобычных однородных сегнетоэлектриков — несовпаделичивается униполярность (значение P0) и уменьшается ние тракторий P у предыдущих и последующих циклов амплитуда изменения P (рис. 3, c, d).

изменения E. Особенно ярко это несовпадение выражено для первого цикла, у которого значения P в начале и в Особенности диэлектрических свойств являются подконце периода изменения E существенно различаются. тверждением предложенных ранее представлений о При многократных повторяющихся циклах траектории P структуре релаксоров [1,2,7]. Неупорядоченное распрактически повторяют друг друга (сливаются), при пределение ионов Sr в решетке приводит к градиенту Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Поляризация и деполяризация релаксорного сегнетоэлектрика ниобата бария–стронция Рис. 4. Релаксация поляризации P (a, c, f ) и спектры распределения времени релаксации g( ) (b, d, g) при различных электрических полях E и температурах T для кристалла SBN. a, b — T = 274 K; E = 300 (1), 400 (2, 4), 600 V/cm (3); на вставке — начало поляризации при включении E; c, d — E = 500 V/cm; T = 274 (1), 288 (2), 294 K (3); на вставке — зависимость m от T ; f, g — T = 274 K; E = 500 (1), 650 (2), 800 V/cm (3); на вставках — начало деполяризации при выключении E и зависимость m от E.

Горизонтальные штриховые линии — равновесные значения поляризации Pe, t0 = 1 min. Скачки P при включении и выключении E отмечены на вставках стрелками.

их концентрации, локальному понижению симметрии, ского поля E даже в равновесных условиях могут быть внутреннему электрическому полю и, как следствие, к и отличная от нуля суммарная по образцу поляризация, асимметрии двухминимумной функции локальной сво- и пироэлектрический эффект (рис. 2).

бодной энергии F от поляризации P [7] (вставка на Вероятность медленной термоактивационной локальрис. 3). По объему кристалла глубина минимумов ной переполяризации из метастабильного в стабильное FA и FB (в точках A и B на вставке) распределена состояние определяется высотой барьера (величиной FA случайно. А поскольку взаимно противоположные напра- или FB). Внешнее поле E определенной ориентации и вления равновесной P равновероятны, должны существо- величины уменьшает барьеры и ускоряет переполяризавать области, в которых выполняется или неравенство цию. Если в поле E барьер исчезает (например, FA = 0), FA < FB, или FA > FB. Объемы таких областей, вообще идет лавинообразный (надбарьерный) процесс с перехоговоря, неодинаковы, поэтому в отсутствие электриче- дом в состояние с FB < 0. Петли гистерезиса на рис. 10 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1300 В.В. Гладкий, В.А. Кириков, С.В. Нехлюдов, Т.Р. Волк, Л.И. Ивлева Рис. 4 (продолжение).

свидетельствуют о том, что в релаксоре SBN существуют резком изменении поля E; Pe — равновесная поляризаобласти с большой асимметрией F(P) (FA FB или ция, Pe, a, n — параметры, зависящие от T и E.

FB FA), которая сохраняется и в используемых элек- В предположении независимости центров релаксации трических полях. В результате первый цикл изменения (микродоменов) их вклад в поляризацию можно считать поля переводит многие области кристалла в равновесные аддитивным. В этом случае безразмерная поляризация состояния, отвечающие глубоким минимумам F(P), и фактически лишает их возможности в дальнейшем учаp(t) = f ( ) exp(-t/ )d.

ствовать в переполяризации. Поэтому при следующих циклах объем переполяризующихся областей и амплитуда изменения P существенно сокращаются. НесовпаЗдесь f ( ) — нормированная функция распределения дение значений P в начале и в конце первого цикла дает представление об униполярности, существующей времен релаксации, f ( )d = 1, связанная с p(t) в кристалле и до приложения поля. При понижении интегральным преобразованием Лапласа. Распределение температуры все барьеры увеличиваются, и особенности имеет вид f ( ) = an/(n) (1/ )n+1 exp(-a/ ), где петель гистерезиса становятся менее выраженными.

(n) — гамма-функция. Чаще удобнее пользоваться Более детальные сведения о структуре потенциальбезразмерной функцией ных барьеров релаксора можно получить из результатов исследования кинетики поляризации и деполяризации g( ) = f ( ) = 1/(n) (a/ )n exp(-a/ ), (2) соответственно при мгновенном включении и выключении постоянного электрического поля E. Основные которая характеризует плотность распределения ln или результаты такого исследования следующие. При резком распределение энергий барьеров U в образце, связанных изменении поля любой величины (меньше и больше с ln законом Аррениуса ln(/0) =U/kT (0 — кинеполуширины петли гистерезиса) поляризация P всегда тический коэффициент). Функция g( ) имеет максимум сначала изменяется скачком (надбарьерный процесс), при m = a/n [12].

а затем медленно 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.