WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 9 Оптическое изучение спонтанного сегнетоэлектрического перехода в монокристаллах скандониобата свинца © Л.С. Камзина, Н.Н. Крайник Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 3 февраля 2000 г.) Изучено оптическое пропускание и малоугловое рассеяние света (МРС) в упорядоченных и разупорядоченных стехиометрических монокристаллах скандониобата свинца-PSN в отсутствие и при приложении постоянного электрического поля. Показано, что спонтанный фазовый переход, имеющий место в обоих кристаллах, сопровождается острым пиком интенсивности МРС, свидетельствующим о перколяционной природе этого перехода. Построена фазовая диаграмма (поле–температура) для исследуемых в работе монокристаллов PSN.

Среди большого класса релаксорных материалов PST эта величина выше (Tord 1450C), чем для PSN особое место занимают соединения скандотантала- (Tord 1280C). А температура спекания керамических та — PbSc1/2Ta1/2O3 (PST) и скандониобата свинца — образцов и роста монокристаллов PST всегда ниже, PbSc1/2Nb1/2O3 (PSN). В отличие от классического ре- чем Tord, поэтому степень упорядочения соединений PST лаксора магнониобата свинца-PMN и ему подобных сег- после синтеза близка к единице. Температура синтенетоэлектрических релаксоров, которые не обнаружива- за керамики и монокристаллов PSN 1100-1300C, ют сегнетоэлектрического поведения в отсутствие элек- т. е. вблизи или выше Tord, и степень упорядочения после трического поля, эти соединения даже в отсутствие поля, синтеза, как правило, близка к нулю. В работах [5,6] помимо возникновения в некотором интервале темпе- было высказано предположение, что природа различного ратур релаксорных свойств, обнаруживают спонтанный соотношения температур сегнетоэлектрического фазофазовый переход в сегнетоэлектрическую фазу [1–3]. Эти вого перехода в упорядоченных и разупорядоченных материалы являются прекрасным объектом не только образцах PST и PSN может быть связана с большей недля изучения спонтанного сегнетоэлектрического пе- линейностью Nb–O октаэдров, чем Ta–O, и с меньшими рехода, но и для изучения релаксорных свойств. На- размерами упорядоченных областей в PSN по сравнению личие в них высокотемпературного перехода порядок– с PST. Было показано, что эти эффекты сдвигают темпебеспорядок в распределении различных ионов в одно- ратуру максимума к более высоким температурам в типных кристаллографических положениях [4] приводит разупорядоченных образцах PSN.

к тому, что порядок (или беспорядок) в расположении Тепловая обработка, которая обычно используется для B и B катионов может быть разным в зависимости от изменения степени упорядочения образцов [7], для сотермообработки образцов. Меняя степень упорядочения единений PST приводит к понижению степени упоряионов и контролируя ее рентгенографически, можно дочения ионов (s), в то время как для PSN — к ее изменять релаксорные свойства материала и исследо- повышению. Однако и в том и другом случае темперавать взаимосвязь между релаксорным и нормальным тура сегнетоэлектрического фазового перехода понижасегнетоэлектрическим поведением в одном и том же ется. Но отжиг образцов может приводить не только к материале. До открытия этих материалов связь между изменению степени упорядочения ионов, но также и к сегнетоэлектрическими и релаксорными свойствами на потерям свинца. Из работ [3,8–10] известно, что большая экспериментальном уровне можно было изучать только потеря свинца сдвигает температуру сегнетоэлектричена разных образцах. ского фазового перехода в сторону низких температур Несмотря на присутствие ряда общих черт в пове- и препятствует прохождению спонтанного сегнетоэлекдении соединений PST и PSN, имеется существенная трического перехода, и материал становится обычным разница между ними. Дело в том, что температура сег- релаксором. В то же время один только беспорядок в нетоэлектрического фазового перехода упорядоченных расположении ионов не является существенным препяткристаллов PST (T 40C) выше, чем разупорядочен- ствием для спонтанного сегнетоэлектрического перехода ных (T 0C), в то время как в кристаллах PSN на- в этих материалах. Таким образом, простое сравнение блюдается противоположная ситуация. Изменение объе- физических свойств соединений PST и PSN невозможно ма элементарной ячейки при сегнетоэлектрическом- из-за разных начальных условий упорядочения.

параэлектрическом фазовом переходе в этих соединени- Приложение постоянного электрического поля буях также имеет противоположные знаки. Причины этих дет по-разному влиять на релаксорные свойства и на различий в настоящее время неясны. Одной из возмож- характер спонтанного сегнетоэлектрического перехода.

ных причин, по-видимому, могут быть разные темпера- Влияние внешнего поля на диэлектрические свойства туры перехода порядок–беспорядок (Tord). В кристаллах керамики PST с разной степенью упорядочения ионов Оптическое изучение спонтанного сегнетоэлектрического перехода... интенсивно изучалось в работе [2]. Однако более чув- поле прикладывалось вдоль направления [001] при комствительными методами для изучения изменений разме- натной температуре, свет распространялся вдоль напраров неоднородностей при фазовых переходах являются вления [100]. Диэлектрические измерения проводились оптические методы, а именно оптическое пропускание на частоте 1 kHz. Скорость изменения температуры и малоугловое рассеяние света (МРС) [11,12]. Если образца варьировалась от 1.5 до 4.5C/min. После фазовый переход проходит по перколяционному типу, приложения электрического поля образцы перед каждым то средний размер кластера новой фазы на пороге новым измерением деполяризовались с помощью нагрепротекания стремится к размеру образца, образуется ва до температур выше Tmax.

крупномасштабная неоднородная структура, и фазовый переход должен сопровождаться появлением аномально 2. Экспериментальные результаты узких пиков интенсивности МРС и, следовательно, минии обсуждение мумом оптического пропускания. Используя метод МРС, мы показали, что в монокристаллах PST с разной степеНа рис. 1 представлены температурные зависимости нью упорядочения ионов спонтанный фазовый переход интенсивности МРС, снятые в режиме нагревания, в является переходом первого рода, имеет перколяционотсутствие (1) и при приложении постоянного элекную природу и сопровождается появлением аномально трического поля (2), а также диэлектрической прониузкого пика интенсивности МРС [12–15]. Внешнее цаемости (3) для упорядоченного кристалла PSN. При электрическое поле уменьшает область существования температуре Td четко виден пик МРС, подтверждающий релаксорной фазы, увеличивает стабильность сегнетосуществование спонтанного перехода перколяционного электрической фазы.

типа, в то время как на кривой при этой температуре В кристаллах PSN до постановки данной работы влинаблюдается только быстрое увеличение. Нерелаксаяние электрического поля на поведение релаксорного ционный характер этого спонтанного перехода подтвери нормального сегнетоэлектрического состояний не исждается совпадением температур пика интенсивности следовалось. Это представляет собой самостоятельную МРС, снятой на нулевой частоте поля, и аномалией задачу, так как прямое сравнение влияния электрическона кривой диэлектрической проницаемости, снятой на го поля на диэлектрические и оптические свойства кричастоте 1 kHz. Максимум находится на 2 выше, сталлов PST и PSN невозможно из-за разных начальных чем температура перехода Td, что свидетельствует о том, условий упорядочения.

что незначительная часть объема образца находится в Таким образом, цель работы — изучение влияния разупорядоченной фазе. С увеличением электрического электрического поля на спонтанный и релаксорный фаполя увеличивается и температура Td.

зовый переходы в упорядоченных и разупорядоченных На рис. 2 представлены температурные зависимости стехиометрических монокристаллах PSN с помощью диэлектрической проницаемости (1) и оптического прооптических и диэлектрических измерений.

пускания, снятые в режиме нагревания (2) и охлаждения (3) для разупорядоченного кристалла PSN. Наблю1. Выращивание монокристаллов даемый при 100C минимум на кривой оптического пропускания согласуется с положением максимума ини методика эксперимента тенсивности МРС (вставка на рис. 2) и совпадает с До постановки данной работы в литературе практи- температурой Td, определенной из кривой 1. Из кривых чески отсутствовали сведения о свойствах стехиометри- пропускания, снятых при нагреве и охлаждении образчески упорядоченных соединений, PSN, за исключением ца (2, 3), видно, что разница в положении минимумов структурных исследований [10] и наших работ [12–15]. оптического пропускания составляет 13. Наличие С использованием метода, предложенного в [16], нам температурного гистерезиса является одной из основных удалось вырастить как разупорядоченные, так и упорядо- черт фазового перехода первого рода. Приложение элекченные стехиометрические монокристаллы PSN. Разная трического поля к неупорядоченному образцу сдвигает степень упорядочения достигалась изменением темпера- температуру спонтанного сегнетоэлектрического перетуры синтеза образцов, так как применяемая обычно для хода в сторону высоких температур (рис. 3), так же как этой цели термообработка приводит к потерям свинца и и для упорядоченного образца (кривая 2 на рис. 1).

оптической порче образцов. Выращенные упорядоченные На основании измерений интенсивности МРС и оптикристаллы имели размеры 3 2 2 mm и были прак- ческого пропускания при приложении постоянных электически бесцветными, разупорядоченные имели слегка трических полей для упорядоченных и разупорядоченкоричневатую окраску и размеры 2 1 1 mm. Темпера- ных кристаллов PSN были построены зависимости темтура максимума упорядоченных образцов была 80C, пературы спонтанного сегнетоэлектрического перехоа разупорядоченных — +112C, что согласуется с [4]. да от электрического поля (кривые 1, 2 на рис. 4).

Исследовалось оптическое пропускание и МРС, изме- В практически упорядоченном кристалле температуры ренное в геометрии пропускания [17]. Для оптических Td линейно зависит от электрического поля, что типичизмерений использовался He–Ne лазер. Электрическое но для фазового перехода первого рода (кривая 1 на 9 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1666 Л.С. Камзина, Н.Н. Крайник Рис. 1. Температурные зависимости интенсивности МРС в отсутствие (1) и при приложении электрического поля 3 kV/cm (2) и диэлектрической проницаемости (3) для упорядоченного кристалла PSN.

Рис. 2. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости (1) и оптического пропускания, снятые в режиме нагревания (2) и охлаждения (3), для разупорядоченного кристалла PSN. На вставке — интенсивность МРС (I) и оптическое пропускание при температуре Td.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Оптическое изучение спонтанного сегнетоэлектрического перехода... Таким образом, в результате проведенных исследований удалось вырастить как упорядоченные, так и разупорядоченные стехиометрические монокристаллы PSN.

Показано, что, несмотря на разные начальные условия упорядочения кристаллов PSN и PST, электрическое поле оказывает одинаковое воздействие на спонтанный фазовый переход в обоих кристаллах: температура перехода линейно повышается с увеличением поля в упорядоченных кристаллах, в неупорядоченных — отклоняется от линейной. Так же как и в PST кристаллах, спонтанный фазовый переход в упорядоченных и разупорядоченных стехиометрических кристаллах PSN является переходом первого рода, имеет перколяционную природу и сопровождается появлением аномально узкого пика интенсивности МРС. Электрическое поле, приложенное к образцу, уменьшает температурный интервал существования релаксорной фазы.

Список литературы [1] F. Chu, N Setter, A.K. Tagantsev. J. Appl. Phys. 74, 8, Рис. 3. Зависимость оптического пропускания от температуры (1993).

для разупорядоченного кристалла PSN при разных электриче- [2] F. Chu, G.R. Fox, N. Setter. J. Am. Ceram. Soc. 81, 6, ских полях E, kV/cm: 1 —0, 2 —1, 3 —2, 4 —4.

(1998).

[3] F. Chu, I.M. Reaney, N. Setter. J. Appl. Phys. 77, 4, (1995).

[4] C.G. Stenger, A.J. Burggraaf. Phys. Stat. Sol. A61, 1, (1980).

[5] M. Glinchuk, R. Farhi. J. Phys. Cond. Matt. 8, 6985 (1996).

[6] C. Caranoni, N. Menguy, B. Hilczer, M. Glinchuk, V. Stephanovich. Abstracts of 9th European Meeting on Ferroelectricity. Praha (1999). P. 219.

[7] N. Setter, L.E. Cross. J. Appl. Phys. 51, 8, 4356 (1980).

[8] F. Chu, I.M. Reaney, N. Setter. J. Am. Ceram. Soc. 78, 7, (1995).

[9] A. Sternberg, L. Shebanovs, E. Birks, Y. Yamashita, M. Tyunina, V. Zauls. Ferroelectrics 217, 307 (1998).

[10] C. Malibert, B. Dkhil, J.M. Kiat, D. Durand, J.F. Berar, A. Spasojevic-de Bire. J. Phys. Condens. Matter 9, 7485 (1997).

Рис. 4. Зависимость температуры спонтанного сегнетоэлек[11] A. Krumins, T. Shiosaki, S. Koizumi. Jpn. J. Appl. Phys. 33, трического фазового перехода от величины электрического part 1, 9A, 4946 (1994).

поля для упорядоченного (1) и разупорядоченного (2) кристал[12] Л.С. Камзина, А.Л. Корженевский. Письма в ЖЭТФ 50, 3, лов PSN.

146 (1989).

[13] Л.С. Камзина, А.Л. Корженевский. ФТТ 34, 6, 1795 (1992).

[14] Л.С. Камзина, Н.Н. Крайник. ФТТ 42, 1, 136 (2000).

[15] L.S. Kamzina, A.L. Korzhenevskii. Ferroelectrics 131, рис. 4). В разупорядоченном кристалле эта зависимость (1992).

несколько отличается от линейной (кривая 2 на рис. 4), [16] В.Г. Смотраков, И.П. Раевский, М.А. Малицкая, С.М. Зайхотя наличие пика МРС и наблюдаемый температурный цев, Ю.М. Попов, Н.А. Стрекнева. Изв. АН СССР. Неоргистерезис указывают на фазовый переход первого рода.

ган. материалы 19, 1, 123 (1983).

Это может быть связано с существованием локально [17] Л.С. Камзина, А.Л. Корженевский, О.Ю. Коршунов. ФТТ 36, 2, 479 (1994).

поляризованных объемов образца в разупорядоченном кристалле в температурной области выше Td.

Данные по влиянию электрического поля на поведение спонтанного сегнетоэлектрического перехода в разупорядоченных и упорядоченных кристаллах PSN согласуются с результатами работы [2] для керамических соединений PST и с нашими данными по монокристаллам PST [14].




© 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.