WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 9 Электронная эмиссия в сегнетоэлектриках с различной величиной коэрцитивного поля © А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия (Поступила в Редакцию 20 января 1999 г.) Представлены результаты экспериментальных исследований эмиссии электронов из монокристаллов триглицинсульфата, номинально чистых и легированных примесями ионов Cr3+. Исследована связь между основными параметрами процессов переключения и эмиссии электронов из сегнетоэлектриков коэрцитивным полем и пороговым полем возникновения эмиссии. Показано, что температурные и концентрационные зависимости порогового поля могут быть объяснены соответствующими зависимостями коэрцитивного поля.

Активные исследования сегнетоэлектриков методом здесь обсуждается корреляция между наиболее важными экзоэлектронной эмисиии начались в конце 70-х годов. параметрами этих процессов — коэрцитивным полем Несмотря на неослабевающий научный и практический образца и пороговым полем возникновения эмиссии.

интерес к этой проблеме попытки предложить завершенную картину возникновения эмисиии электронов из 1. Методика измерений сегнетоэлектриков пока не увенчались успехом. В наи экспериментальные результаты стоящее время имеется довольно устойчивая идея относительно связи процессов переключения в сегнетоэлекЭкспериментальные исследования эмиссии в настоятриках и эмиссионного эффекта. Она подтверждается щей работе были выполнены на монокристаллах номимножеством фактов. Во-первых, эмиссия наблюдается нально чистого триглицинсульфата (ТГС) и кристалла как правило только в сегнетоэлектрической фазе, где ТГС, легированного примесями хрома четырех различприсутствует спонтанная поляризация [1,2]. Во-вторых, она появляется не просто в присутствии полярного со- ных концентраций. Указанные примесные кристаллы были выращены из растворов с добавками ионов Cr3+ — стояния в образце, но только при условии ”свежести” его 0.1; 0.3; 0.6 и 1 молярный процент в растворе.

формирования [3]. А именно затухание интенсивности эмиссии описывается экспоненциальным законом при Измерения плотности тока эмисиии jem в работе выусловии стабилизации полярного состояния со временем полнялись стандартным методом в вакууме 6.5 · 10-3 Pa релаксации порядка некоторых секунд или минут в за- на образцах полярного среза площадью 20–30 mm2 и висимости от материала наблюдения [4,5]. Кроме того, толщиной 1 mm с электродами из сусального золота.

эмиссия всегда наблюдается при переполяризации образ- Эмиссия электронов измерялась в области зазора в ца [6] в высокочастотном поле, где условие ”свежести” одном из электродов. Величина зазора составляла приполярного состояния несомненно выполнено. близительно 1 mm. В качестве стимулирующего поля использовалось синусоидальное электрическое поле с Принимая во внимание возможность экранирования зарядов спонтанной поляризации на поверхности образ- частотой 50 Hz. Исследования проводились в режимах нагревания (переход точки Кюри Tc со стороны сегнетоца свободными носителями заряда, находящимися в объеме материала или на его поверхности, естествен- электрической фазы), и охлаждения (переход Tc со стороны параэлектрической фазы) в температурном интервале но предположить, что причиной наблюдаемой эмиссии является суммарный нескомпенсированный заряд, ко- 25-55C, при этом в обоих случаях скорость изменения торый появляется вблизи поверхности материала при температуры составляла приблизительно 0.5C/min.

изменении полярного состояния образца. Это предпо- Проведенные исследования дали следующие резульложение, сделанное в [3] при выяснении природы тер- таты. На всех исследованных образцах эмиссия элекмоэмиссии электронов в сегнетоэлектриках, для эмис- тронов была зарегистрирована непосредственно в сегсии, стимулированной переключением, было доказано нетоэлектрической фазе в температурном интервале от в [7] параллельными наблюдениями эмиссионного тока температуры возникновения эмиссии Tbeg до точки Кюри и стимулирующего электрического поля. Было показано, Tc (рис. 1). При этом независимо от величины внешчто эмиссионный сигнал наблюдается только в том него переменного поля, стимулирующего переключение полупериоде изменения внешнего переменного поля, образца, положение высокотемпературной границы темкогда вблизи поверхности образца, активной в эмиссии, пературного интервала, в котором наблюдалась эмиссия, появляется отрицательный нескомпенсированный заряд. оставалось неизменным и совпадающим приблизительно Результаты настоящей работы дают новые доказатель- с точкой Кюри в чистом материале. В то же время, как ства связи явлений электронной эмиссии из сегнето- и в образцах слабого сегнетоэлектрика гептагерманата электриков с процессами их переключения. А именно лития [5], положение низкотемпературной границы Tbeg 10 1676 А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова поле Eth также является убывающей функцией температуры в диапазоне, соответствующем сегнетоэлектрической фазе. При этом повторяя форму зависимости коэрцитивного поля, пороговое поле несколько превышает значение Ec. Помимо этого и концентрационная зависимость Eth оказывается аналогичной подобной зависимости для коэрцитивного поля, тем самым подтверждая наше предположение о корреляции между пороговым и коэрцитивным полями материала.

Увеличение концентрации примеси в образцах ТГС, легированных хромом, при данном значении амплитуды стимулирующего поля приводит к сдвигу низкотемпературной границы области существования эмиссии Tbeg в сторону высоких температур (рис. 4).

Рис. 1. Температурная зависимость плотности тока электронной эмиссии, стимулированного переключением монокристалла ТГС. E = 780 V/cm.

Рис. 3. Температурная зависимость порогового поля Eth монокристаллов ТГС с различной концентрацией примеси хрома:

1, 2, 3, 4, 5 — 0; 0.1; 0.3; 0.6; 1.0 mol.% в растворе.

Рис. 2. Температурная зависимость коэрцитивного поля Ec монокристаллов ТГС с различной концентрацией примеси хрома: 1, 2, 3, 4 — 0; 0.1; 0.3; 0.6 mol.% в растворе.

в исследуемых кристаллах существенно зависело от амплитуды стимулирующего поля, понижаясь с ростом последней.

Температурные зависимости коэрцитивного поля, рассчитанные по петлям диэлектрического гистерезиса, представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2, увеличение концентрации примеси хрома приводит к пропорциональному росту численного значения коэрцитивного поля для всех дефектных кристаллов. Аналогичные эксРис. 4. Изменение низкотемпературной границы эмиссипериментальные кривые получены и для порогового поля онного интервала в монокристалле ТГС в зависимости от Eth возникновения эмиссии. Согласно рис. 3, пороговое концентрации примеси хрома.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Электронная эмиссия в сегнетоэлектриках... 2. Обсуждение результатов Объяснение полученных результатов хорошо согласуется с предлагаемой выше схемой. Наличие эмиссии электронов только в полярной фазе является еще одним подтверждением ее связи со спонтанной поляризацией.

В обычном состоянии связанные заряды, образующиеся в результате обрыва вектора спонтанной поляризации на поверхности материала, скомпенсированы свободными зарядами на поверхностных состояниях. Нарушение по той или иной причине баланса зарядов вблизи поверхности образца приводит к возникновению электрического поля результирующего заряда, которое при благоприятном его направлении и вызывает эмиссию электронов из образца.

Рис. 5. Изменение низкотемпературной границы эмиссионОдин из способов создания некомпенсированных заного интервала в зависимости от амплитуды стимулирующего рядов на поверхности сегнетоэлектрика — его переполя.

поляризация. Как было показано прямыми измерениями в работе [5], посвященной исследованию слабого сегнетоэлектрика гептагерманата лития, эмиссионный эффект при переключении сегнетоэлектрика появляется сегнетофазе должен быть ограничен диапазоном от Tc в случае, если прикладываемое поле превышает коэр- приблизительно до температуры, где коэрцитивное поле цитивное и, значит, начинается процесс переключения Ec равно прикладываемому (рис. 5).

образца. Это положение, на наш взгляд, убедительно Исследование реальных численных значений и темпеподтверждается новыми экспериментальными данными, ратурных зависимостей Ec(T ) для слабого сегнетоэлекпредставленными выше, по изучению пороговых полей трика гептагерманата лития, а также для номинально чиэмиссии из сегнетоэлектриков.

стых и примесных монокристаллов триглицинсульфата Действительно, как следует из эксперимента, возрастапоказывает, что это объяснение вполне приемлемо для ние концентрации примеси ионов Cr3+ вместе с ростом понимания ограниченности интервала температур в сегкоэрцитивного поля Ec (рис. 2) приводит параллельно нетоэлектрической фазе, в котором существует эмиссия.

и к соответствующему увеличению значений пороговых Дело в том, что с увеличением амплитуды переключаполей Eth (рис. 3) во всем температурном интервале ющего поля до значений, превышающих коэрцитивное, сегнетофазы для всех исследованных кристаллов.

согласно температурной зависимости Ec появляется возКорреляция между коэрцитивным полем и пороговым можность переключать образец в области более низких полем эмиссии существует и на уровне численных знатемператур, что и ведет к расширению температурного чений. Известно, в частности, что в слабых сегнетоэлекинтервала существования эмиссии в область низких триках коэрцитивное поле очень высоко ( 5-25 kV/cm температур (рис. 5).

вблизи Tc), что приблизительно на 1–2 порядка выше Другим способом изменения коэрцитивного поля в значений данного поля, измеренных в аналогичных услообразце является изменение количества содержащейся в виях, для классических сегнетоэлектриков, в частности нем примеси. Как следует из эксперимента, увеличение для монокристаллов триглицинсульфата. Как было поконцентрации примесей приводит к росту коэрцитивного казано в [5], значения пороговых полей возникновения поля по сравнению с его величиной в бездефектном эмиссии для слабого сегнетоэлектрика также очень выматериале во всем температурном интервале существосоки и достигают порядка нескольких kV/cm даже вблизи вания сегнетоэлектрической фазы. В результате при том температуры фазового перехода. Тогда как по данным же самом значении внешнего переключающего поля настоящей работы для чистого ТГС, а также кристаллов диапазон температур, где образец может быть переклюТГС, легированных ионами Cr3+, аналогичные величины чен данным прикладываемым полем, очевидно, будет Eth и Ec согласованно уменьшаются по сравнению со сласужен с ростом концентрации примесей из-за сдвига его быми сегнетоэлектриками по крайней мере на 1 порядок низкотемпературной границы в сторону более высоких ниже.

температур (рис. 2).

Хорошо известно, что коэрцитивное поле растет при Результаты настоящей работы показывают наличие явудалении от точки Кюри в область низких температур.

Очевидно, что при некотором удалении от Tc электри- но выраженной корреляции между коэрцитивным полем ческое поле, прилагаемое к образцу, оказывается уже образца и пороговым полем эмиссии. И то и другое недостаточным для переключения образца и, следова- поле могут быть изменены различными способами: изтельно, для возбуждения эмиссионного эффекта. В ре- менением самого типа сегнетоэлектрического материала зультате интервал температур существования эмиссии в (слабый или обычный сегнетоэлектрик), изменением Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1678 А.С. Сидоркин, Н.Ю. Пономарева, С.Д. Миловидова температуры образца и, наконец, изменением степени дефектности материала. Наличие сразу нескольких таких факторов создает возможность целенаправленного изменения температурного интервала существования эмиссии при переключении сегнетоэлектриков, что, очевидно, важно для практического применения этого эффекта.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта № 2801 по программе ”Университеты России — фундаментальные исследования”.

Список литературы [1] K. Biedrzycki. Phys. Stat. Sol. (a) 109, K79 (1988).

[2] H. Gundel, J. Handerek, H. Riege. J. Appl. Phys. 69 2, (1991).

[3] А.М. Косцов, А.С. Сидоркин, В.С. Зальцберг, С.П. Грибков.

ФТТ 24, 11, 3436 (1982).

[4] А.С. Сидоркин, А.М. Косцов, В.С. Зальцберг, С.П. Грибков.

ФТТ 27, 7, 2200 (1985).

[5] А.С. Сидоркин, П.В. Логинов, А.М. Саввинов, А.Ю. Кудзин, Н.Ю. Короткова. ФТТ 38, 2, 624 (1996).

[6] Г.И. Розенман, В.А. Охапкин, Ю.Л. Чепелев, В.Я. Шур.

Письма в ЖЭТФ 39, 397 (1984).

[7] K. Biedrzycki, B. Bihan. Ferroelectrics 124, 1201 (1992).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 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.