WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1 Ферроэластоэлектрические явления в одноосном сегнетоэлектрическом кристалле ТГС © Е.Ф. Дудник, В.М. Дуда, А.И. Кушнерёв Днепропетровский государственный университет, 320625 Днепропетровск, Украина E-mail: elf@ff.dsu.ua (Поступила в Редакцию 26 апреля 1999 г.) Рассмотрена возможность проявления в одноосном сегнетоэлектрическом кристалле ТГС ферроэластоэлектрических свойств. Путем анализа вида тензоров спонтанных пьезомодулей для каждого из 180-х доменов, возникающих в результате фазового перехода в кристалле ТГС, определены возможные направления одновременного приложения электрического поля и механических напряжений для переключения кристаллов ТГС.

Исследовано влияние одноосных механических напряжений 11, 22 и 33 на параметры насыщенных и ненасыщенных петель диэлектрического гистерезиса ТГС. Обнаружено переключение доменов в кристалле ТГС нетрадиционным способом — комбинацией полей E312.

Кристаллы, у которых домены (ориентационные сос- ющие комбинации:

тояния) отличаются компонентами пьезоэлектрических E123; E112; E211; E222; E233; E213; E323; E312.

констант, согласно классификации Аизу [1], относятся (2) к ферроикам высшего порядка и носят название ферроэластоэлектриков (сегнетоэластоэлектриков). Переклю- Далее приведены результаты исследований переключение таких кристаллов из одного состояния в другое чения кристаллов ТГС при одновременном приложении может осуществляться только посредством одновремен- электрического поля и механических напряжений.

ного приложения электрического поля и механических напряжений. К классу ферроэластоэлектриков относятся, 1. Методика эксперимента например, кристаллы кварца ниже фазового перехода из - в -модификацию (Tc = 573.5C) [2].

Кристаллофизическая система координат, в соответСимметрийный анализ показывает, что все сегнетоствии с которой в данной работе изготавливались электрики являются потенциальными ферроэластоэлекнужные кристаллофизические срезы кристаллов ТГС триками. Особенно благоприятными в плане изучения (X,Y, Z), аналогична принятой в работе [4]. Экспериферроэластоэлектрических свойств являются ”чистые” менты по переключению кристаллов ТГС различными одноосные сегнетоэлектрики, в которых влияние ме- комбинациями электрического поля и механических наханических напряжений на процессы переключения не пряжений проводились при помощи специально сконвуалируется сегнетоэластическими свойствами. струированных кристаллодержателей, позволявших приТипичным представителем ”чистых” одноосных сег- ложить к образцу одновременно электрического поле и механические напряжения либо во взаимно перпеннетоэлектриков является триглицинсульфат, который дикулярных направлениях, либо в одном и том же при температуре 49.2C испытывает фазовый переход направлении.

2m 2, в результате чего возникают два ориентациНа перпендикулярные полярной оси поверхности онных состояния (домена) S1 и S2. Тензор спонтанных образцов методом напыления платины или втирания пьезоэлектрических модулей для одного из двух 180-х графита наносились электроды. Изучалось влияние оддоменов (S1) имеет вид [3] ноосных механических напряжений, приложенных вдоль оси X (11), оси Y (22) и оси Z (33) на параметры пе0 0 0 2d123 0 2dтель диэлектрического гистерезиса (ПДГ), получаемых d d222 d233 0 2d213 Sdi jk =. (1) с помощью модифицированной схемы Сойера–Тауэра в 0 0 0 2d323 0 2dинтервале температур 20-50C.

Для исследования возможности переключения криТензор спонтанных пьезомодулей для 180-х доменов S2 сталлов комбинациями полей E123 и E312 электроды можно получить путем умножения (1) на -1.

наносились на поверхности образцов, перпендикулярВид тензоров спонтанных пьезокоэффициентов (1) ные осям X и Y, и на поверхности, перпендикулярные дает возможность определить направления, в которых осям Z и Y, соответственно. Поскольку одноименные необходимо одновременно приложить электрическое по- пьезокоэффициенты в доменах с противоположной ориле и механические напряжения для осуществления про- ентацией вектора спонтанной поляризации в кристалцессов переключения кристаллов ТГС, если они облада- лах ТГС одинаковы по модулю, но противоположны по ют ферроэластоэлектрическими свойствами. Это следу- знаку, измеряя пьезоэлектрический отклик на гранях, 134 Е.Ф. Дудник, В.М. Дуда, А.И. Кушнерёв перпендикулярных полярной оси Y при наложении на кристалл сжимающих механических напряжений 22, можно определить направление и степень поляризации образцов ТГС.

2. Переключение кристаллов ТГС комбинациями полей E211, E222, EКомбинации полей E211, E222 и E233 достаточно просто реализуются экспериментально путем наложения сжимающих напряжений 11, 22 и 33 при наблюдении ПДГ.

Результаты исследований насыщенных ПДГ, соответствующих практически полному переключению кристаллов ТГС, при различных температурах при наложении одноосных механических напряжений сжатия 11, 22 и 33 представлены на рис. 1, 2. Как можно видеть из рис. 1, механические напряжения 11 и приводят к уменьшению, а 33 — к росту значений Рис. 2. Температурная зависимость коэрцитивного поля.

спонтанной поляризации Ps во всей области исследо1 — без механического напряжения; 2 — под действием мехаванных температур. По нашему мнению, такое повенического напряжения 40 MPa в направлении оси X; 3 —под дение является следствием прямого пьезоэффекта и действием механического напряжения 3.6 MPa в направлении соответствует различным знакам пьезокоэффициентов оси Y ; 4 — под действием механического напряжения 40 MPa (sign d21 = sign d22 = -sign d23).

в направлении оси Z.

Интересно отметить влияние соответствующих механических напряжений на величину коэрцитивного поля Ec (рис. 2). Из рис. 2 следует, что механические напряжения 11 и 22 уменьшают, а 33 увеличивают Ec, т. е.

соответственно либо способствуют, либо препятствуют процессам переполяризации в кристаллах ТГС.

В то же время исследование ненасыщенных ПДГ, соответствующих частичным процессам переполяризации, показывает, что при значениях напряженности электрического поля ниже некоторой ”критической” величины (равной примерно величине Ec для насыщенных ПДГ) измеряемая величина поляризации (пропорциональная переполяризующемуся объему кристалла) увеличивается при наложении механических напряжений 11 либо 22 и уменьшается при наложении напряжений 33, что противоположно действию соответствующих механических напряжений на насыщенную ПДГ. Полученные данные свидетельствуют о том, что и в данном случае механические напряжения 11 и 22 благоприятствуют движению доменов, в то время как напряжения затрудняют его. Необходимо отметить также, что ”критическое” поле практически не меняется при наложении Рис. 1. Температурная зависимость спонтанной поляризации.

механических напряжений, а наблюдаемые являения но1 — без механического напряжения; 2 — под действием мехасят обратимый характер.

нического напряжения 40 MPa в направлении оси X; 3 —под Полученные результаты можно объяснить, если придействием механического напряжения 3.6 MPa в направлении нять во внимание тот факт, что кристаллы ТГС являются оси Y ; 4 — под действием механического напряжения 40 MPa в направлении оси Z. не только сегнетоэлектриками, но и ферроэластоэлекФизика твердого тела, 2000, том 42, вып. Ферроэластоэлектрические явления в одноосном сегнетоэлектрическом кристалле ТГС триками. Известно [1], что одновременное приложение при помощи одной из комбинаций воздействий E112, к ферроэластоэлектрику в определенных кристаллогра- E123, E312, E323, когда электрическое поле перпендифических направлениях электрического поля и механи- кулярно Ps, являлось бы прямым доказательством того, ческих напряжений приводит к его монодоменизации, что эти кристаллы относятся также и к ферроэластот. е. установлению какого-либо одного ориентационного электрикам. Нами была проведена экспериментальная состояния. Изменение знака одного из внешних воздей- проверка возможности такого переключения.

ствий (смена сжатия на растяжение или изменение на- В начале эксперимента образцы монодоменизироваправления электрического поля) приводит к изменению лись электрическим поле 300 kV/m, приложенным вдоль одного ориентационного состояния на другое посред- полярной оси Y, после чего измерялось значение пьезоством движения доменных стенок, подобно тому, как модуля d22 и по его знаку определялось направление, в котором поляризован кристалл. Затем к образцам приэто происходит в сегнетоэлектриках. Однако поскольку ферроэластоэлектрики являются ферооиками более вы- кладывалась комбинация полей E312 или E123. Напрясокого порядка, чем сегнетоэлектрики, то соответствую- женность электрического поля имела значение 400 kV/m, а величина механического напряжения — 15 MPa. Экспещие электрические и механические коэрцитивные поля оказываются достаточно высокими при низких темпера- рименты производились при комнатной температуре. По истечении некоторого времени поля снимались, и снова турах, вдали от точки структурного фазового перехода.

Например, в кристаллах кварца движение ферроэласто- измерялся пьезоотклик образца. Путем сравнения значений и знаков пьезооткликов до воздействия и после него электрических доменов при одновременном действии электрического поля и механических напряжений на- можно было судить о степени переключения образца.

Комбинация полей E123 слабо изменяет пьезоотклик блюдается только при температуре на 3 градуса ниже образца даже при длительном их воздействии. В то же -перехода [2].

время для нескольких образцов после воздействия комИсследуемые кристаллы ТГС в отличие от кристаллов бинации полей E312 в течение 30-90 минут было зафиккварца не являются чистыми ферроэластоэлектриками, сировано изменение знака пьезоотклика. Приложение к а в основном известны как ”чистые” сегнетоэлектрики.

этим же образцам электрического поля и механических Поскольку 180-е сегнетоэлектрические домены в ТГС напряжений той же величины и той же длительности, но являются одновременно и ферроэластоэлектрическими отдельно друг от друга, изменения пьезоотклика не вызыдоменами, то они подвержены действию двух движувало. Полученный результат указывает на то, что комбищих сил. Низкая температура Кюри кристаллов ТГС нация полей E312 способна вызывать переключение Ps дает основания полагать, что ферроэластоэлектрические в кристалле ТГС. Это позволяет отнести кристаллы ТГС свойства в них будут проявляться при комнатной темпек классу сегнетоэлектриков и ферроэластоэлектриков.

ратуре.

Отметим, что приведенные выше результаты носят Переменное электрическое поле E2 является перепопредварительный характер и в настоящее время уточняляризующим для сегнетоэлектрического состояния, в то ются с помощью иных независимых экспериментов.

же время в комбинации с механическими напряжениями оно является источником еще одной движущей силы, обусловленной ферроэластоэлектрическими свойствами.

Список литературы Эти две движущие силы в зависимости от знаков пьезокоэффициентов могут действовать как в одном, так [1] K. Aizu. J. Phys. Soc. Jap. 34, 1, 121 (1973).

и в противоположных направлениях. Учитывая это и [2] J.W. Laughner, V.K. Wadhawan, R.E. Newnham. Ferroelectrics 36, 439 (1981).

принимая во внимание знаки пьезокоэффициентов (-d21, [3] Е.Ф. Дудник, В.М. Дуда, А.И. Кушнерев. Укр. физ. журн. 43, -d22, +d23), можно сделать вывод о том, что комбинации 2, 243 (1998).

полей E211 и E222 способствуют движению доменных [4] В.П. Константинова, И.М. Сильвестрова, К.С. Александров.

стенок, в то время как комбинация полей E223 препятВ сб.: Физика диэлектриков. Изд-во АН СССР, М. (1960).

ствует их движению.

С. 351.

Очевидно, что, меняя знак механического напряжения (т. е. меняя сжатие на растяжение), можно изменить поведение как насыщенных, так и ненасыщенных ПДГ на противоположное тому, что наблюдалось в настоящей работе.

3. Переключение кристаллов ТГС комбинациями полей E123 и EПоскольку ТГС является одноосным сегнетоэлектриком, переполяризация которого осуществляется наложением электрического поля вдоль оси Y, то переключение Физика твердого тела, 2000, том 42, 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.