WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Температурные зависимости диэлектрических свойств литий-титановой ферритовой керамики © А.В. Малышев, В.В. Пешев, А.М. Притулов Томский политехнический университет, 634034 Томск, Россия E-mail: peshev@tpu.ru (Поступила в Редакцию 10 декабря 2002 г.

В окончательной редакции 13 мая 2003 г.) Выполнены измерения температурных зависимостей действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости керамической литий-титановой ферритовой керамики в частотном интервале 102-106 Hz при различных амплитудах измерительного сигнала и уровнях постоянного напряжения смещения. Обнаружены резкие изменения диэлектрических характеристик керамики в узких температурых интервалах. Преполагается участие в поляризационных процессах релаксаторов, переориентация которых обусловлена туннельными переходами электронов внутри пар „двухвалентный ион железа–трехвалентный ион металла“. Возможно, что при определенных условиях переориентация релаксаторов может иметь коллективный характер.

Удельная проводимость и комплексная диэлектриче- действия поляризующего поля (в случае переменного ская проницаемость существенно влияют на распро- поля — от его частоты) и его напряженности.

странение электромагнитных волн в феррите и, следова- Известно, что при большой концентрации электричетельно, определяют функциональные свойства приборов, ских диполей возможно спонтанное образование элекизготовленных на основе феррита. В настоящее время трических доменов. Поскольку содержание Fe2+ изменяимеется большое количество работ, посвященных иссле- ется в широких пределах, концентрация диполей также дованию электрофизических свойств ферритов [1–10]. может быть различной. Можно предположить, что больЗависимости и от частоты f и температуры T шие значения в феррите обусловлены (наряду с междля поликристаллических ферритов принято интерпре- слоевой поляризацией) поляризацией либо в результате тировать в рамках модели межслоевой поляризации [1] индивидуальной перезарядки пар, либо перезарядкой и межслоевой поляризации с участием поверхностных пар в составе спонтанно образовавшихся электрических состояний межзеренных границ [2]. Одной из основ- доменов, либо перезарядкой пар в составе доменов, ных причин возникновения межслоевой поляризации возникновение которых индуцировано электрическим является процесс электропереноса, поэтому механизм полем.

электропереноса влияет на ее характеристики. Считают, В настоящей работе проводится изучение температурчто электроперенос осуществляется либо движением ных зависимостей (T ) и (T ) для Li–Ti-феррита на носителей заряда по примесной зоне [3,4], либо прыж- различных частотах и амплитудах измерительного сигками носителей по локализованным энергетическим нала при наличии и отсутствии постояного напряжения уровням за счет электрон-фононного взаимодействия [5]. смещения с целью определения возможного механизма Прыжковый механизм электропереноса в феррите свя- релаксационной поляризации.

зывают с наличием двухвалентных ионов железа и Объектом исследования служили ферриты состаэлектронными переходами между ионами переменной ва Li0.649Fe1.598Ti0.5Zn0.2Mn0.051O4 с добавкой 0.22 vt% валентности, например, Fe2+ + Me3+ Fe3+ + Me2+ [6].

Bi2O3, синтезированные по керамической технологии Установлено, что чем больше концентрация Fe2+, тем в производственных условиях и спеченные на воздухе больше проводимость и тем больше. Исходя из при T = 1280 K в течение 120 min. После спекания этого, полагают, что такие переходы ответственны как проводилась двухсторонняя шлифовка образцов от исза электроперенос заряда, так и за поляризацию [7–9].

ходной толщины d = 1 до 0.22 mm. Образцы имели В таком случае можно не привлекать модель Купса, так форму таблеток диаметром 13 mm, на поверхность кокак перезарядка пар ионов Fe2+ + Me3+ Fe3+ + Me32+ торых термическим испарением в вакууме наносились уже является процессом переориентации диполей в пе- серебряные контакты. Диаметр измерительного контакта ременной поле. Поскольку компоненты пары являются составлял 5 mm. Таблетки с контактами подвергались кристаллообразующими ионами, большое значение нормализующему отжигу при T = 570 K в течение можно объяснить большой концентрацией пар. Если в t = 1 h. Магнитная температура Кюри TC для данной таких парах переход электрона осуществляется путем ферритовой керамики равна 575 K. Проводились изтуннелирования с участием фононов, то можно ожидать, мерения емкости C и активной проводимости G, т. е.

что характеристическое время поляризации будет зави- проводимости, обусловленной как током проводимости, сеть не только от температуры, но и от длительности так и той частью тока поляризации, которая совпадает 186 А.В. Малышев, В.В. Пешев, А.М. Притулов ния, практически не зависят от частоты. Измерения проводили как в процессе нагревания, так и в процессе охлаждения образцов. Кривые = F(T ) совпадают для прямого и обратного температурного хода. Зависимости = F(T ) имеют незначительный гистерезис на частоте 100 Hz, которые уменьшается с увеличением частоты.

Отметим, что температурные зависимости достаточно хорошо можно аппроксимировать в рамках модели межслоевой поляризации. Поскольку в этом случае доминирующей причиной является ток проводимости, энергия активации Ea релаксационного процесса должна быть равной энергии активации Ea процесса электропереноса. Значение Ea, полученное из (T ) в рамках этой модели, равно 0.36–0.38 eV. Однако зависимости (T ) можно описать только с энергией активации E =(0.7-0.74) eV > Ea. Поскольку и Ea = Ea, и тем пературные зависимости проводимости образцов G(T ) практически одинаковы для разных частот, экспериментальные зависимости, и большие значение нельзя объяснить межслоевой поляризацией.

Данные рис. 1, a невозможно объяснить в рамках модели Дебая, так как sf зависит от частоты. Напомним, что в этой модели постоянная времени (T ) релаксационного процесса не зависит от длительности поляризующего импульса напряжения и, следовательно, от частоты измерительного сигнала, поэтому величина sf равна статической диэлектрической проницаемости s и не зависит от f, даже если существуют распределения Рис. 1. Температурные зависимости (a) и (b), получендля Ea и предэкспоненциального множителя 0. Таким ные с Utest = 56 mV на различных частотах ( f, Hz: 102— 1, 1, 5;

103— 2, 6; 104— 3, 7; 106— 4, 8) в процессе нагревания (1–8) образом, когда (T ) =const( f ), для любой частоты изи охлаждения (1 ).

мерительного сигнала всегда (теоретически) существует температурный интервал, в котором практически все релаксаторы участвуют в переориентации и величина достигает значения одного и того же значения s.

по фазе с электрическим полем. Температурный инЕсли же поляризация обусловлена переориентацией тервал измерений составлял 300–600 K. Нагревание и электрических доменов в сегнетоэлектриках [11] или охлаждение образцов в процессе измерений осуществлярелаксаторов, переориентация которых связана с тунлось со скоростью 2 K/min. Частота измерительного нелированием носителей заряда [5] между центрами сигнала была f = 100, 103, 104 (мост Е7-14) и 106 Hz локализации, то количество диполей, участвующих в (мост Е7-12). Значения и вычислялись по общеэтом процессе, ограничивается длительностью действия известным формулам: = C · d/(S · 0, tg = G/( · C), поляризующего поля. В таком случае sf является убы = · tg, где 0 — диэлектроическая проницаемость вающей функцией частоты, что и видно из рис. 1, a.

вакуума, — круговая частота поляризующего поля, Чтобы изучить влияние напряженности поляризуюtg — тангенс угла диэлектрических потерь.

щего поля, были получены температурные зависимости На рис. 1 представлены температурные зависимо,, измеренные в тех же частотах при амплитуде сти,, измеренные при амплитуде измерительного измерительного сигнала Utest = 2800 mV (рис. 2). Из сигнала Utest = 56 mV. Из рис. 1, a видно, что процесс рис. 2, a видно, что зависимости = F(T ) имеют значиполяризации имеет не менее двух стадий и что уровень тельный гистерезис на частоте 100 Hz, который уменьнасыщения (sf) величины = F(T ) на низкотемпешается с увеличением частоты. Наблюдается аномальратурной стадии зависит от частоты и уменьшается ное поведение, которое заключается в резком уменьшес ее увеличением. Далее будем рассматривать только нии значений (кривые 1, 1, начиная с T = 550 K.

наиболее четко выраженную низкотемпературную стадию. Отсутствие релаксационных пиков на зависимостях Наличие значительного гистерезиса зависимости = F(T ) (рис. 1, b) свидетельствует о том, что ток про- = F(T ) и резкое падение значений (кривые 1, 1 на водимости значительно превышает активную составляю- рис. 2, a) свидетельствуют о том, что феррит, возможно, щую релаксационного тока. Температурные зависимости обладает свойствами, подобными сегнетоэлектрическим проводимости C(T ), из которых рассчитывались значе- свойствам. Однако эти особенности наблюдаются только Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Температурные зависимости диэлектрических свойств литий-титановой ферритовой керамики только тестовым сигналом, а концентрация диполей ориентированных постоянным полем, не зависит от частоты измерительного сигнала. Ожидается, что с приложением Up особенности на температурных зависимостях диэлектрических характеристик будут иметь место и при f > 100 Hz (в отличие от данных рис. 1, где Utest тоже равно 56 mV).

На рис. 3 представлены зависимости (T ) и (T ), полученные при малом значении Utest с Up = 0-0.3V в процессах нагревания и охлаждения. Измерения проводились с шагом по температуре, равном 2 градуса.

Действительно, эти зависимости при Up = 0 имеют значительный температурный гистерезис. На кривых (TR) и (T ), полученных в процессе нагревания при Up = 0, наблюдается скачкообразное увеличение и уменьшение в одном и том же температурной интервале 460–530 K. Существуют значения температуры Tstart и Tend, при которых соответственно начинаются и заканчиваются резкие изменения диэлектрических характеристик, причем значения Tend монотонно убывают с увеличением Up. Аналогичные особенности имеют место на температурных зависимостях диэлектрических характеристик, полученных на частоте 10 kHz (рис. 4).

Как ожидалось, значения Tstart и Tend при f = 10 kHz Рис. 2. Температурные зависимости (a) и (b), полученные с Utest = 2800 mV на различных частотах ( f, Hz:

102— 1, 1, 5; 103— 2, 2, 6; 104— 3, 7; 106— 4, 8) в процессе нагревания (1–8) и охлаждения (1, 2 ).

при больших значениях Utest = 2.8V и большой длительности действия поля (F = 100 Hz). При приложении переменного поля с большой напряженностью и низкой частотой в определенные промежутки времени может достигаться достаточно высокая концентрация диполей, ориентированных в одном направлении. Взаимодействие между диполями в эти интервалы времени может привести в появлению особенностей поляризации, связанных с коллективным характером переориентации диполей и, возможно, к образованию электрических доменов.

Таким образом, мы полагаем, что особенности температурных зависимостей обусловлены коллективным характером переориентации диполей в течение некоторой части полупериода переменного поля. Иными словами, электрическое поле периодически индуцирует состояние системы диполей, подобное сегнетоэлектрическому состоянию.

Исходя из изложенного выше, интересно получить температурные зависимости диэлектрических свойств при приложении к образцу постоянного поляризующего Рис. 3. Температурные зависимости (a) и (b), полученнапряжения Up и переменного измерительного сигнала ные при Utest = 56 mV, f = 103 Hz в процессе нагревания (1–8) Utest = 56 mV < Up. В этом случае измерительный сиги охлаждения (1 –8 ); Up (V): 0.2 —1, 5, 1, 5, 0.25 —2, 6, 2, 6, нал не изменяет состояния системы диполей и является 0.3 — 3, 7, 3, 7 и 0 —4, 8, 4, 8.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 188 А.В. Малышев, В.В. Пешев, А.М. Притулов Список литературы [1] G.G. Koops. Phys. Rev. 83, 1, 121 (1951).

[2] V.P. Miroshkin, Ya.I. Panova, V.V. Pasynkov. Phys. Stat. Sol (a) 66, 779 (1981).

[3] Е.П. Свирина. Изв. АН СССР. Серия физ. 34, 6, (1970).

[4] Ш.Ш. Башкиров, А.Д. Либерман, В.В. Парфенов, В.И. Синявский. Изв. АН СССР. Неорган. материалы 15, 3, (1979).

[5] F.K. Lotgering. J. Phys. Chem. Sol. 25, 1, 95 (1964).

[6] V.P. Miroshkin, Ya.I. Panova, T.V. Stakhieva. Phys. Stat. Sol.

(a) 66, 503 (1981).

[7] A.V. Ramana Reddy, G. Ranga Mohan, D. Ravinder, B.S. Boyanov. J. Mat. Sci. 34, 3169 (1999).

[8] G. Ranga Mohan, D. Ravinder, A.V. Ramana Reddy, B.S. Boyanov. Materials Letters 40, 39 (1999).

[9] Radha, D. Ravinder. Indian Journal of Pure & Applied Physics 33, 74 (1995).

[10] M.A. El Hiti. J. Magn. Magn. Mater. 192, 305 (1999).

[11] М. Лайнс, А. Гласс. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. Мир, М. (1981) 736 с.

Рис. 4. Температурные зависимости (a) и (b), полученные при Utest = 56 mV, f = 104 Hz в процессе нагревания (1–8) и охлаждения (1 –8 ); Up (V): 0.2—1, 5, 1, 5, 0.25 —2, 6, 2, 6, 0.3 — 3, 7, 3, 7 и 0 —4, 8, 4, 8. На вставке показаны особенности зависимостей (T ), измеренных в процессе охлаждения (1 –3 ). Также для сравнения представлена часть кривой 3.

равны таким значениям при f = 1kHz, т. е. Tstart и Tend зависят от Up и не зависят от f при малом значении Utest.

На вставке показаны особенности зависимостей (T ), измеренных в процессе охлаждения.

Итак, установлено, что энергия активации релаксационной поляризации не равна энергии активации процесса переноса заряда, а проводимость не зависит от частоты, т. е. вклад межслоевой поляризации в формирование высоких значений в исследованных частотном и температурном интервалах является малым. Обнаружены резкие изменения диэлектрических характеристик керамики в узких температурных интервалах. Особенности температурных зависимостей диэлектрических характеристик, возможно, обусловлены коллективным характером переориентации диполей, причем такой характер поляризации, по-видимому, индуцирован электрическим полем.




© 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.