WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 10 Релаксационные процессы в легированном Mn монокристаллическом и стеклообразном тетраборате лития © Н.Д. Байса, В.С. Биланич, В.М. Головей, И.М. Ризак, В.М. Ризак, С.Ю. Стефанович Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: rizak@univ.uzhgorod.ua (Поступила в Редакцию 31 января 2006 г.) Приведены результаты исследований процессов диэлектрической релаксации в легированных Mn монокристаллическом и стеклообразном Li2B4O7. Выявлены эффекты влияния легирования малыми дозами Mn на диэлектрические свойства Li2B4O7. Проведен анализ результатов исследований в рамках модели диэлектрической релаксации Дебая. Определены энергетические характеристики релаксационных процессов и величины ионных прыжков в исследованных материалах.

PACS: 77.22.-d, 77.22.Gm, 77.84.Dy 1. Введение Образцы для исследований диэлектрических совйств размером 552 mm вырезали из ориентированных Монокристаллы тетрабората лития Li2B4O7 (LTB) монокристаллов и стеклообразных слитков LTB, после обладают комплексом нелинейно-оптических, акустиче- чего их шлифовали, полировали до достижения опских и механических свойств, представляющих инте- тического качества поверхности и наносили электрорес для практического применения [1–4]. Легирован- проводящие контакты. Концентрацию марганца в обный LTB благодаря линейной зависимости физических разцах определяли при помощи радиоактивационного параметров от величины радиационного облучения в анализа на гамма-спектрометре SBS-40. Она составляла широком интервале доз и относительно незначительной 1.4 · 10-3 wt.% Mn.

энергетической зависимости в области 10–40 keV [5], Электрофизические характеристики измеряли на ав6 10 а также наличию в своем составе изотопов Li и B, томатизированном комплексе, который позволял региобладающих большим сечением захвата тепловых ней- стировать активную и реактивную составляющие провотронов [6], используется в персональных дозиметрах димости в интервале температур 293-1380 K и частот накопительного типа, действие которых основано на 103-106 Hz [9]. Скорость нагревания образцов составляэффекте термостимулированной люминесценции [5,7]. ла 2 K/min.

Поскольку динамика изменений физических параметров активных сред на основе LTB определяется состоянием 3. Результаты исследований структурных подсистем, актуальным является установи их обсуждение ление закономерностей их релаксации в номинально чистом и легированном LTB как в монокристаллическом, На рис. 1, a представлены температурные зависимости так и в стеклообразном состоянии.

электропроводности в координатах ln( T ) =F(1/T ) для Цель настоящей работы — исследование релаксацимонокристалла LTB : Mn вдоль направления [001], а на онных процессов легированного марганцем монокририс. 1, b — для стекла LTB : Mn. Из рисунков следует, сталлического ([001]) и стеклообразного LTB методом что эти зависимости для всех частот хорошо аппроксидиэлектрической спектроскопии.

мируются прямыми линиями, на которых наблюдаются точки излома. Известно, что зависимости такого типа хорошо описываются выражением [10] 2. Методика эксперимента 0 E = exp -, (1) Для проведения измерений электропроводности, T kT диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь tg были изготовлены образцы где E — энергия активации проводимости.

из монокристалла LTB : Mn [8], а также стекла тож- Как видно из рисунка, в температурной обладественного ему состава. Стекло LTB : Mn получали сти T > 900 K электропроводность LTB : Mn является расплавлением части монокристалла LTB : Mn с после- частотно-независимой. Энергия активации, определендующим охлаждением расплава в воздухе. Соответствие ная по наклону прямой, составляет E1 = 1.23 eV. При состава полученных монокристаллических образцов сте- T < 900 K наблюдаются прямолинейные зависимости хиометрическому LTB и отсутствие кристаллической ln( T ) =F(1/T ) в интервалах 850-685 и 420-360 K.

фазы в стеклообразных было подтверждено при помощи Для этих температурных интервалов энергии активации рентгенофазового анализа. составялют E2 = 0.38 и E3 = 0.40 eV соответственно.

1758 Н.Д. Байса, В.С. Биланич, В.М. Головей, И.М. Ризак, В.М. Ризак, С.Ю. Стефанович Из сравнения электропроводности нелегированного [11] и легированного марганцем LTB (рис. 1) следует, что данная примесь активно влияет на электропроводность только в области T < 800 K. При T > 800 K абсолютные величины и ее температурные зависимости для разных частот в нелегированном и легированном LTB практически совпадают. В области более низких температур электропроводность LTB : Mn в среднем на 25-30% выше, чем в нелегированном.

На первом участке зависимости ln( T ) =F(1/T ) (T > 900 K) энергия активации в монокристаллическом LTB : Mn составляет 1.23 eV, что практически совпадает с аналогичным параметром нелегированного LTB [11].

Это свидетельствует о едином механизме электропроводности монокристаллов LTB : Mn и LTB при данных температурах. В области T < 900 K энергии активации LTB : Mn и LTB отличаются. Кроме того, в этом температурном интервале проявляется существенная дисперРис. 2. Температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь: a — монокристаллического LTB : Mn в направлении [001] на частотах 1 (1), 20 (2) и 100 kHz (3);

b — стеклообразного LTB : Mn на частотах 1 (1) и 10 kHz (2).

сия электропроводности, отсутствующая в нелегированном LTB.

Из зависимостей ln( T ) =F(1/T ) для стеклообразного LTB : Mn (рис. 1, a) следует, что при T > 450 K дисперсия отсутствует, а энергия активации, определенная по наклону прямой, равна 0.66 eV. Из сравнения данного параметра с аналогичным для нелегированного стеклообразного LTB (0.71 eV [11]) следует, что примесь марганца в количестве 1.4 · 10-3 wt.% не приводит к существенным изменениям энергии активации и электропроводности стеклообразного LTB.

Наличие дисперсии электрофизических свойств в легированных монокристалле и стекле LTB : Mn свидетельствует о протекании в них интенсивных релаксационРис. 1. Температурные зависимости электропроводности: a — ных процессов. На рис. 2 представлены температурные монокристаллического LTB : Mn в кристаллографическом назависимости tg на разных частотах для монокристалправлении [001] на частотах 1 (1), 20 (2) и 100 kHz (3);

ла LTB : Mn (a) и стекла тождественного состава (b). Как b — стеклообразного LTB : Mn на частотах 1 (1), 10 (2) и 100 kHz (3). следует из рис. 2, a, для монокристалла на зависимостях Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Релаксационные процессы в легированном Mn монокристаллическом и стеклообразном... tg = F(T ) проявляется два частотно-зависимых максимума. Кроме того, диэлектрические потери сильно возрастают в области высоких температур. Такая частотная зависимость максимумов диэлектрических потерь свидетельствует о их релаксационном характере. Зависимости ln f = F(1/Tm) хорошо аппроксимируются прямыми линиями ( f — частота, Tm — температура максимума).

По наклону этих прямых с использованием модели диэлектрической релаксации в ионных проводниках [9] были рассчитаны энергии активации диполей, которые tg tg оказались равными U1 = 0.40 и U2 = 0.61 eV для первого и второго максимумов tg соответственно.

Из рис. 2, b следует, что для стеклообразного LTB : Mn с возрастанием частоты температура максимума tg также растет. Зависимость ln f = F(1/Tm) хорошо аппроксимируется прямой линией, по наклону которой tg была определена энергия активации (Ug = 0.63 eV).

Из сравнения зависимостей tg = F(T ) для стеклообразных LTB и LTB : Mn следует, что наличие примеси марганца в малых концентрациях (1.4 · 10-3 wt.%) не влияет на положение максимума tg [11,12].

Ранее при изучении процесса перемещения катионов Li+ в жестком кристаллическом каркасе, образованном полиэдрами BO5 [12,13], было установлено, что проводимость LTB обусловлена перескоками мобильных катионов лития и термически активируется уже при T > 300 K. Как и в случае нелегированного LTB, термическая активация проводимости в LTB : Mn осуществляется в виде релаксационного процесса, а не фазового перехода. Из сравнения зависимостей = F(T ) и tg = F(T ) для монокристаллических LTB и LTB : Mn следует, что легирование марганцем данного монокристалла приводит к возникновению дополнительных максимумов tg в интервале 400-600 K и дисперсии на Рис. 3. Температурные зависимости диэлектрической пронизависимостях = F(T )(рис. 1, a и 2, a). Для объяснения цаемости: a — монокристаллического LTB : Mn в направлемеханизма релаксационных процессов в монокристал- нии [001] на частотах 1 (1), 20 (2) и 100 kHz (3); b —стеклоле и стекле LTB : Mn использованы представления о образного LTB : Mn на частотах 1 (1), 10 (2) и 100 kHz (3).

прыжковом механизме перемещения ионов лития из основных позиций в междоузлия. Как известно, при термической активации ионов щелочных металлов в ионных на зависимостях = F(T ) для монокристалла LTB : Mn проводниках может наблюдаться несколько максимумов можно выделить два частотно-зависимых максимума на температурных зависимостях диэлектрических парелаксационного типа.

раметров [9]. В случае активации одной кинетической Известно, что в рамках модели диэлектрической речастицы наличие двух максимумов с различными энергилаксации Дебая [14] диэлектрический отклик описываетями активации свидетельствует о перескоке мобильных ся формулой ионов (в данном случае ионов лития) на различные расстояния вдоль каналов проводимости. Учитывая, что s - s - электропроводность LTB : Mn несколько превышает ана = + - i, (2) 2 1 + 2 1 + логичную величину для нелегированного LTB, можно предположить, что наличие дополнительного максимума exp(U/kT ) на температурной зависимости tg и дополнительный где =, k — постоянная Больцмана, s вклад в проводимость обусловлены легированием LTB и — диэлектрическая проницаемость среды при марганцем.

бесконечно малой и бесконечно большой частотах, Температурная зависимость диэлектрических по- — частота приложенного электрического поля, — терь LTB : Mn коррелирует с особенностями зависимо- частота скачков частиц через потенциальный барьер стей = F(T ), представленных на рис. 3. Как видно, высотой U, — время релаксации.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1760 Н.Д. Байса, В.С. Биланич, В.М. Головей, И.М. Ризак, В.М. Ризак, С.Ю. Стефанович Согласно упомянутой выше модели в области тем- уменьшение скачка иона при переходе от монокристалла ператур, где число сильно возбужденных и слабо вза- к стеклу LTB вследствие разупорядочения структуры, имодействующих мобильных катионов незначительно, можно предположить, что легирование LTB маргантемпературы максимумов и tg определяют, исходя цем приводит к локальному разупорядочению структуиз условий [9] ры LTB (например, к деформированию полиэдров LiO5) и как следствие к уменьшению скачка до 0.4.

d d tg Учитывая геометрию канала проводимости LTB, а = 0, = 0. (3) dT dT также необходимость скачка на расстояния 2-3 для перехода ионов лития из одного полиэдра в другой, При невысоких температурах (kT U) по уравнению можно допустить, что скачок на 0.4 происходит в () промежуточную позицию в пределах полиэдра LiO5, коE() f max - = const + ln (4) торая возникает из существовавшей там ранее позиции, () () kTmax Tmax изменившей свое расположение вследствие деформации полиэдра LiO5 при легировании.

можно найти высоту энергетического барьера E между () () двумя положениями равновесия иона (где Tmax и f — max 4. Выводы температура и частота максимумов ), а также длину скачка иона Установлено, что наличие примеси марганца 0.03 V 1.4 · 10-3 wt.% приводит к незначительному увеличению l () (E() - E(tg )), (5) q N электропроводности LTB. На температурных зависимостях диэлектрических потерь и диэлектрической где q и N — заряд и число ионов катионной подрешетки проницаемости наблюдаются слабо выраженные в пределах элементарной ячейки с объемом V (3), а дополнительные релаксационные максимумы, связанные Etg определяется из соотношения с появлением новых позиций для скачков ионов лития.

В рамках теории диэлектрической релаксации Дебая E(tg ) (tg ) - = const + ln( f ), (6) определены величины ионных скачков, которые для max (tg kTmax) монокристаллического LTB : Mn составляют 0.4 и 0.6, а для стекла идентичного состава — 0.15. Показано, (tg (tg ) где Tmax) и f — температура и частота максимуmax что в LTB : Mn скачки на 0.6 осуществляются на мов tg.

те же энергетически эквивалентные позиции вблизи Из рис. 3 следует, что на зависимости = F(T ) центров больших граней полиэдров LiO5, что и в для монокристалла LTB : Mn в области темперанелегированном LTB. Появление скачков ионов лития тур 400-800 K можно выделить два максимума. Энергии на расстояние 0.4 может быть связано с локальной активации E1 и E2, определенные по формуле (4), деформацией структуры монокристалла при его легиравны 0.7 и 1.2 eV соответственно. С учетом значеровании марганцем, вследствие чего некоторые энерtg tg ний E1, E2 и E1, E2 по формуле (5) были расгетически эквивалентные позиции смещаются ближе к считаны величины ионных скачков лития в монокриосновной позиции иона лития, расположенной в центре сталле ([001]) LTB : Mn: l1 = 0.44 и l2 = 0.62. Для пятивершинного полиэдра LiO5.

стеклообразного LTB : Mn E = 0.67 eV и l = 0.15, что, как и следовало ожидать, значительно меньше, чем для кристалла.

Список литературы Полученные значения l1, l2, l коррелируют с аналогичными величинами для нелегированного LTB [12].

[1] T. Sugavara, R. Komatsu, S. Uda. Solid State Comm. 107, 5, В монокристалле LTB : Mn, как и в нелегированном LTB, 233 (1998).

длина скачка составляет 0.6, что значительно мень- [2] R. Komatsu, T. Sugawara, K. Sassa, N. Sarukura, Z. Liu, S. Izumida, Y. Segawa, S. Uda, T. Fukuda, K. Yamanouchi.

ше расстояния между основными позициями иона лития Appl. Phys. Lett. 70, 26, 3492 (1997).

в данном кристалле ( 3.114 [15]). Геометрия канала [3] T. Sato, H. Abe. IEEE Ultrason. Ferr. 45, 6, 1506 (1998).

проводимости LTB в направлении [001] не допускает [4] M. Adachi, K. Nakazawa, A. Kawabata. Ferroelectrics 195, 1, движения иона лития по прямой линии, что предпола123 (1997).

гает наличие промежуточных позиций, которые явля[5] N. Nariyama, S. Tanaka, Y. Nakane, Y. Asano, H. Hirayama, ются точками излома траектории мобильного катиона.

S. Ban, H. Nakashima, Y. Namito. Radiation Protection Величина ионного скачка коррелирует с расстоянием от Dosimetry 74, 3, 155 (1997).

основной позиции иона лития до центров наибольших [6] V. Skvortsova, N. Mironova-Ulmane, U. Ulmanis, A. Matграней полиэдра LiO5. Таким образом, именно центры kovskii. Nucl. Instrum. Meth. B 166–167, 284 (2000).

этих граней можно рассматривать как точки излома [7] C. Furetta, M. Prokic, R. Salamon, V. Prokis, G. Kitis. Nucl.

траектории движения Li+. Принимая во внимание резкое Instrum. Meth. A 456, 411 (2001).

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.