WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

в кристаллах ниобата лития, легированных Y3+, Dy3+, Nd3+ [13]. Примесь гадолиния, как и примеси иттрия, Полученные аномалии температурного поведения и диспрозия и неодима, формируют РДС, поскольку имеют специфическая медленная эволюция диэлектрических нескомпенсированный заряд, большой ионный радиус свойств, характер диэлектрической дисперсии, значения (Gd3+ — 0.94, Y3+ — 0.97, Dy3+ — 0.88, Nd3+ — 0.99 ) времен релаксации и энергии активации (по крайней и эффективный коэффициент распределения Keff < 1. мере в области температур, где проводимость и время Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Аномальный рост униполярности в легированных кристаллах ниобата лития в области температур... релаксации описываются законом Аррениуса), тип доменной структуры позволяют предположить, что обнаруженная низкочастотная диэлектрическая дисперсия обусловлена релаксацией точечных дефектов (связанных с примесью гадолиния), взаимодействующих с доменными границами в исходно полидоменном кристалле.

Однако эффект увеличения времени релаксации с ростом температуры совершенно нетипичен и может быть результатом перестройки доменной структуры, сопровождающейся значительным увеличением размеров доменов и соответственно изменением характера взаимодействия точечных дефектов с доменами.

С целью независимой проверки гипотезы существования в LiNbO3 : Gd лабильной доменной структуры в образцах этого кристалла изучены температурные зависимости статического и динамического пьезоэлектрического эффектов. Пренебрегая возможностью слабой естественной униполярности, следует полагать, что в полидоменных образцах макроскопический пьезоэлектрический эффект отсутствует. В монодоменном состоРис. 8. Диаграммы Коул-Коула кристаллов: 1 —LiNbO3 : B янии вдали от точки Кюри имеют место максимально (0.09 wt.%, z-направление); LiNbO3 : Zn (0.1 wt.%, z-направвозможные значения макроскопического пьезомодуля, ление); 2 —LiNbO3 : Zn (0.1 wt.%, z-направление).

опубликованные в различных литературных источниках [12]. Их значения, определенные экспериментально, могут служить мерой униполярности для конкретных образцов исследуемого кристалла. На основании этих исчезновению (на уровне отношения сигнал / шум изсоображений в работе выполнены прямые измерения мерительной аппаратуры) эффекта пьезоэлектрического статического макроскопического пьезомодуля d33 и порезонанса.

лучена его температурная зависимость, приведенная на Аналогичные зависимости наблюдались и в кристалрис. 7. Показанный на рис. 7 разброс значений в лах LiNbO3, легированных Zn (0.1 wt.%) и B(0.09 wt.%).

”переходной” области температур означает, что в эксОднако в этих кристаллах эффекты выражены значительпериментах наблюдается временной дрейф измеряемых но слабее и не обладают надежной воспроизводимостью.

значений при T = const (в сторону увеличения d33 при Так, хотя дисперсия комплексной диэлектрической пронагревании). Результаты этих экспериментов свидетельницаемости в них и обнаруживает дебаевскую компоствуют, что при нагреве образцов в области температур ненту, но далеко не столь значительную, как в кристалT < 340 K величина d33 имеет малые значения, опрелах LiNbO3 : Gd ([Gd] = 0.44 wt.%). На диаграммах деляемые, по-видимому, слабой естественной униполярКоул-Коула (рис. 8) участок наклонной прямой связан ностью, тогда как в температурной области, соответс объемной проводимостью, а дуга с малой глубиной ствующей обнаруженным аномалиям диэлектрических дисперсии так же, как в ниобате лития с гадолинием, свойств и проводимости, наблюдается скачкообразное отвечает, по-видимому, релаксации точечных дефектов.

увеличение пьезомодуля d33 до значений, близких к Поле напряженностью 5 kV / cm почти полностью сообщаемым [12] для монодоменного номинально чиустраняет дугу на диаграмме. Эти кристаллы обладают стого кристалла. На рис. 7 приведены также нормирозаметным пьезоэффектом (d33 8 · 10-12C/N), но без ванные частотные зависимости сигнала пьезоэлектрисущественных аномалий на температурной зависимости.

ческого резонанса для колебаний исследуемых образПоэтому в настоящей работе объектом детальных цов по толщине (z-направление, толщина 0.6-0.8mm) исследований был кристалл, легированный Gd с конценв двух температурных областях, соответствующих, потрацией 0.44 wt.%, тем более, что кристаллы с меньшими видимому, различному состоянию доменной структуры концентрациями Gd (0.002, 0.08; 0.26 wt.%) не обнарукристалла. В этих экспериментах интенсивные максимуживают аномальное температурное поведение проводимы сигнала на резонансных частотах, подобно резульмости, диэлектрических и пьезоэлектрических свойств татам статических измерений, также возникали скачв диапазоне температур, по крайней мере до 600 K, и ком в окрестности T0 340 K при нагреве образцов в отношении указанных свойств количественно подобны и необратимо сохранялись в термоциклах. Длительная номинально чистому кристаллу.

(до нескольких недель) выдержка образцов в разомкнутом состоянии при комнатной температуре приводит Резкое увеличение пьезомодуля d33 в кристаллах к восстановлению исходно низких значений макроско- LiNbO3 : Gd сопровождается существенным изменением пического статического пьезомодуля и практическому приповерхностного микрорельефа травления, связанного Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1462 М.Н. Палатников, В.А. Сандлер, Н.В. Сидоров, А.В. Гурьянов, В.Т. Калинников Рис. 9. Приповерхностный рельеф травления (получен с помощью атомно-силового микроскопа СММ-2000 фирмы ”КПД”) кристалла LiNbO3 : Gd (0.44 wt.%, z-направление); a — до проведения нагревания (d33 0.2 · 10-12C/N), b — после проведения электрофизических измерений (d33 10-12 · 10-12C/N) (a, b — травление образцов при комнатной температуре).

с РДС. Так, в образце, исследованном при помощи Таким образом, полученные экспериментальные реатомно-силового микроскопа СММ-2000 фирмы ”КПД” зультаты обосновывают предположение, что исходно до проведения температурных измерений и обладающем полидоменные кристаллы LiNbO3, легированные Gd в лишь слабой естественной униполярностью, хорошо за- области концентраций, влючающей 0.44 wt.%, обладают метен микрорельеф с отчетливо выделенным направле- весьма лабильной доменной структурой, связанной с нием, выявляющий тонкие особенности РДС (рис. 9, a). точечными дефектами, динамика которых в низкочастотНа риcунке указаны размер скана (x и y) в микронах и ных измерительных полях вносит значительный (рис. 3) глубина сканирования в нанометрах. Для образца, про- вклад в статическую диэлектрическую проницаемость травленного сразу же после проведения диэлектрических s33(T ) полидоменных образцов. При увеличении темизмерений (при T > 340 K) и обладающего величиной пературы до T0 340 K исследуемые кристаллы обпьезомодуля d33 (11-12)10-12C/N, такой микро- наруживают аномальное температурное поведение, укарельеф практически отсутствует (рис. 9, b). Этот экспе- зывающее на переход доменной структуры в сильно римент является прямым доказательством перестройки униполярное состояние, близкое по свойствам к монодоменной структуры в монокристаллах LiNbO3 : Gd в доменному. Это состояние, по-видимому, устойчиво при области температур, близких к T0. температурах T > T0 и метастабильно при более низких, Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Аномальный рост униполярности в легированных кристаллах ниобата лития в области температур... причем различные образцы обнаруживают разброс вели- глубина их относительно мала. Уровни энергии локальчины T0, не превышающий 15 K. Кинетика релаксации ных центров, рассчитанные по кривым ТСЛ, составляют образцов к исходному макроскопически неполярному 0.18-0.23 eV. Причем самый высокотемпературный пик состоянию во многом определяется их температурно- ТСЛ находится в области температур 340-380 K, т. е.

полевой предысторией и при комнатной температуре хорошо совпадает с температурным интервалом наблюхарактеризуется временами до нескольких недель и да- давшихся диэлектрических аномалий [18].

же месяцев, чем и обусловлен сильный температурный Нами в работах [15,20–22] установлено, что при легистерезис аномалий, наблюдаемый в менее длительных гировании ниобата лития катионами с промежуточными термоциклах.

по отношению к основным катионам (Li+, Nb5+) заряВывод о формировании сильно униполярного состодами и ионными радиусами, при которых не происходит яния в доменной структуре с указанным легированием искажение кислородной подрешетки кристалла (Mg, Zn, вполне согласуется с результатами исследования фоB, Gd), в определенном диапазоне концентраций легирутовольтаического эффекта [15] в номинально чистом ющей примеси степень структурного совершенства мои легированных кристаллах. В то время как безынернокристаллов возрастает. При этом фоторефрактивный ционный вклад фотоотклика в полидоменном образце эффект [11,23] существенно подавляется, что свидетельноминально чистого кристалла при сканировании поствует, по-видимому (по аналогии с [18]), об увеличении верхности лазерным лучом менял знак, в LiNbO3 : Gd плотности состояний вблизи дна зоны проводимости, знак фотоотклика оставался постоянным, что свидетельт. е. об образовании мелких уровней захвата электронов ствует о высокой степени его униполярности. Поскольку ”нефоторефрактивной” примесью гадолиния. Это должобразцы LiNbO3 : Gd, использованные в [15], получены но приводить к увеличению как темновой, так и фотоиз монокристалла исходно полидоменного, следует попроводимости, чем, вероятно, и обусловлена аномально лагать, что обнаруженная в фотовольтаическом эффекте высокая проводимость кристаллов LiNbO3 :Gd в области униполярность его доменной структуры является, потемператур 300-340 K с энергией активации 0.2eV.

видимому, результатом фотоиндуцированных процессов По-видимому, в области температур T > 340 K сов электронной подсистеме кристалла.

стояние мелких центров захвата становится неустойИсследования фотопроводимости [16] показали, что чивым и их заселенность резко снижается. При этом экранировка внешнего электрического поля в кристалле электроны будут дрейфовать из областей с повышенным LiNbO3 происходит в результате термоактивированного содержанием ”нефоторефрактивной” примеси Gd3+ (что перехода электронов в зону проводимости из мелких ценсоответствует границам доменов) в сторону положительтров захвата с энергией активации 0.2 eV. Согласно [17], ного полюса спонтанной поляризации и захватываться на это значение наблюдалось и при исследовании фотоглубокие ловушки в запрещенной зоне. Этими ловушкаиндуцированной оптической неоднородности в области ми, по-видимому, являются ионы ниобия, занимающие температур, где nst = const(300-360 K). При темпозиции лития, т. е. NbLi (antisite defect). Дефекты пературах T > 370 K эффект определяется глубокими NbLi, по данным [24], являются глубокими электронными ловушечными уровнями с энергией активации 1eV.

ловушками, образующими при захвате электронов поляВ образцах LiNbO3 :Gd при 300-340 K температурная роны и биполяроны. Такое предположение согласуется зависимость объемной статической проводимости удос результатами [17], где в интересующей нас области влетворяет закону Аррениуса с энтальпией активации температур обнаружено изменение энергии активации 0.22 eV (рис. 4), причем величина проводимости являот 0.2 до 1 eV. Более того, результаты работы [25] ется аномально высокой (более чем на 2 порядка пресвидетельствуют о преобладании поляронного механизвышает проводимость номинально чистых кристаллов).

ма проводимости в номинально чистых монокристаллах Можно предположить, что проводимость в LiNbO3 : Gd ниобата лития при температурах выше комнатной. Таким в диапазоне температур 300-340 K также определяется образом, в монокристаллах LiNbO3 : Gd в области теммелкими центрами захвата, распологающимися вблизи ператур T > T0 имеет место уменьшение статической дна зоны проводимости.

проводимости до значений, характерных для номинально Вработе [18] установлено, что ”нефоторефрактивные” чистого кристалла при той же температуре.

примеси (Mg) в LiNbO3 могут образовывать мелкие Потеря электронов мелкими электронными ловушкаэлектронные ловушки, например, ”комплекс Mg+”, котоми на основе комплексов с катионами Gd3+, которые рый представляет собой ион Mg+ на месте Li+ с делокалокализованы главным образом на границах доменов, лизованным на ряде окружающих ионов электроном [19].

приводит к дополнительной поляризации кристалличеПри этом заметно снижается фоторефрактивный эффект за счет повышения эффективности рекомбинации фо- ского окружения полем заряженного центра. В работе [26] было установлено, что при повышении теметовозбужденных носителей без их захвата на глубокие уровни. В [18] при изучении термостимулированной ратуры от комнатной до 400 K поле поляризации в люминесценции (ТСЛ) было показано, что возможна ниобате лития убывает на 2 порядка. В этом случае (в термолизация таких центров захвата электронов при условиях дополнительной поляризации) в сегнетоэлексравнительно низких температурах (T < 370 K), т. е. триках при повышении температуры вследствие более Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1464 М.Н. Палатников, В.А. Сандлер, Н.В. Сидоров, А.В. Гурьянов, В.Т. Калинников легкой поляризуемости размеры доменов могут возра- [19] K.L. Sweeney, L.E. Halliburton, D.A. Bryan. J. Appl. Phys. 57, 1036 (1985).

стать. При достаточной концентрации примесных ионов [20] N.V. Sidorov, Yu.A. Serebryakov. Vibrational spectroscopy 6, может возникнуть квазикооперативный эффект с обра215 (1994).

зованием макроскопических доменов, размер которых [21] Yu. Serebryakov, N. Sidorov, M. Palatnikov, V. Lebold, сопоставим с размерами образца [25]. Этим, вероятно, Ye. Savchenko, V. Kalinnikov. Ferroelectrics 167, 181 (1995).

обусловлено резкое увеличение униполярности кристал[22] Н.В. Сидоров, Ю.А. Серебряков. Труды II Междунар. конф.

ла LiNbO3 : Gd с указанной концентрацией вблизи тем”Реальная структура и свойства ацентричных кристаллов”.

пературы T 340 K.

Александров (1995). С. 338.

[23] N.V. Sidorov, Yu.A. Serebryakov. Ferroelectrics 160, По-видимому, аномалии различных физических (1994).

свойств в ниобате лития при 300-400 K, которые наблю[24] O.F. Schirmer, O. Thieman, M. Wohlecke. J. Phys. Chem. Sol.

дались различными авторами не только в легированных, 52, 185 (1991).

но и в номинально чистых кристаллах независимо от ис[25] И.Ш. Ахмадуллин, В.А. Голенищев-Кутузов, С.А. Мигачев, ходного состояния доменной структуры, в той или иной С.П. Миронов. ФТТ 40, 7, 1307 (1998).

степени связаны со сменной механизма электронной [26] V. Kovalevich, L. Shuvalov, T. Volk. Phys. Stat. Sol. 45, 1, проводимости. Конкретные же величины наблюдаемых (1978).

аномалий и кинетика происходящих процессов, вероятно, определяются соотношением плотностей состояний низко- и глубоколежащих центров захвата и реальной структурой образцов.

Список литературы [1] В.П. Каменцев, А.В. Некрасов, Б.Б. Педько, В.М. Рудяк.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.