ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 8, с. 1163-1165
УДК 537.226.33
ОСОБЕННОСТИ ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ LiNbO3 © 2013 г. Фам Май Ан1, Нгуен Хоай Тхыонг1, А. И. Бурханов2, С. В. Медников1
E-mail: burhanov@inbox.ru
Исследован диэлектрический отклик монокристалла ниобата лития в переменных электрических полях в интервале амплитуд Е от 3.74 до 13.1 кВ • см-1 на частотах 1 и 10 Гц в области температуры от +70oC до +200oC. Обнаружено увеличение эффективной диэлектрической проницаемости е Эф и эффективных диэлектрических потерь еэ'ф при Т> 1300C, что связывается с образованием поляро-нов малого радиуса NbL+ и их вкладом в процессы электропроводности. DOI: 10.7868/S0367676513080085
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы ниобата лития Ы№03 находят широкое практическое применение в голографии, электрооптике, устройствах обработки и передачи оптической информации и т.д. [1]. Для подобных применений весьма важно знание электрических свойств кристаллов ниобата лития [2]. В практически значимой области температур (100—150°С) у монокристаллического ниобата лития многие физические свойства, в том числе и диэлектрические [3], демонстрируют аномальное поведение. Это может заметно влиять на рабочие параметры технических устройств, реализуемых на основе ниобата лития. Однако причины этих аномалий не имеют в настоящее время однозначного объяснения. Исследование диэлектрического поведения ниоба-та лития на инфранизких частотах может дать дополнительную информацию о физических механизмах, наблюдаемых в Ы№03 аномалий.
Нами проведено исследование низкочастотного (1 и 10 Гц) диэлектрического отклика моно-кристала ниобата лития в области температур от 70 до 200°С, с амплитудами измерительного поля Е от 3.74 до 13.1 кВ • см-1.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В процессе измерения диэлектрического отклика ниобата лития Ы№03 конгруэнтного состава, выращенного методом Чохральского, ис-
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет".
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет".
пользовали монодоменный образец толщиной 0.71 мм и площадью 53 мм2, вырезанный из большой були кристалла. Он был вырезан так, что большие грани, на которые наносили электроды, были перпендикулярны полярной оси с кристалла. В качестве электродов была применена проводящая паста на серебряной основе.
Измерения проводили в синусоидальных электрических полях в интервале амплитуд Е от 3.74 до 13.1 кВ • см-1, на частотах 1 и 10 Гц в области температур от 70 до 200°С.
Для наблюдения петель поляризации (ПП) и расчета эффективных диэлектрических характеристик материала исследуемого образца использовали автоматическую установку, содержащую модифицированную схему Сойера-Тауэра, запоминающий осциллограф С9-8 и персональный компьютер. С помощью управляющей программы компьютера из набора первичных данных рассчитываются эффективная диэлектрическая проницаемость еэф, эффективные диэлектрических потери еэ'ф, а также тангенс угла диэлектрических потерь 8, по стандартным формулам , Р S ■■ ■
бэф =— , - , бэф = бэф^ёЗ, (1)
б 0Е пЕР
где Е — амплитуда прикладываемого поля, Р — соответствующее Е значение поляризации, Б — площадь петли гистерезиса построенная координатах Р — Е, е0 — электрическая постоянная.
Погрешность определения поляризации не превосходила 2%.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлены петли поляризации в зависимости от амплитуды поля на частотах 1 и 10 Гц при двух температурах (70 и 193°С). Из рис. 1а
1164
ФАМ МАЙ АН и др.
Р, 10-2 мкКл • см-2
N _ в ..... А
1 1
1 в \ ч 1111
1 1
1 - г 11111 X
11111 1
0 10 Е, кВ • см-
Рис. 1. Петли диэлектрического гистерезиса для кристалла Ы№>Оз, полученные при различных амплитудах электрического поля при температурах 70 (а и в) и 193°С (б и г) на частотах 1 (а и б) и 10 Гц (в и д).
ьэф
56
52
48
^ ♦ 4 ♦ » ♦ * I
♦
—ж—&—£—х—*—*—х
2
^ 3' *—ж ■—2'
1'
44
0
£эф
25 20 15 10 5
10
15
-I—I—I-1—I—I—I—I-1—[
* 1 *
* ж
=«=1=
10
2 .3' 1
1' л
15 1
Е, кВ • см
Рис. 2. Зависимости еэф(^) (а) и еУфО^) (б), полученные на частотах 1 Гц (1—3) и 10 Гц (1—3') при температурах 70 (1 и 1'), 150.5 (2и 2') и 193°С (3 и 3').
видно, что на частоте 1 Гц при Т = 70°С диэлектрический отклик ниобата лития Ы№О3 является линейным с очень малыми потерями. При увеличении температуры петли расширяются (на рис. 1б), но линейный характер диэлектрического отклика сохраняется.
Расширение петли может быть связано с ростом проводимости кристалла. Действительно, петли, наблюдаемые при температуре Т= 193°С представляют собой эллипсы (рис. 1б), площадь которых заметно уменьшается с повышением частоты измерительного поля (на рис. 1в и 1г показаны зависимости Р(Е), полученные при этих же температурах на частоте 10 Гц).
эф и ^ эф
На рис. 2 представлены зависимости е от напряженности измерительного поля. Видно, что еэф (рис. 2а) и е'эф (рис. 2б) практически не за-
висят от амплитуды поля Е вплоть до температуры ~200°С. Это указывает на линейный характер диэлектрического отклика ниобата лития в данном интервале электрических полей.
а
3
5
3
0
5
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
1165
Зависимости еЭф (Т) и е'э'ф (Т) изображены на рис. 3. Видно, что на частоте 1 Гц, в отличие от 10 Гц, при Т > 130° С наблюдается существенное увеличение диэлектрических потерь е Э'ф при одновременном увеличении эффективной диэлектрической проницаемости. При этом в диапазоне использованных амплитуд Е сохраняется линейный характер диэлектрического отклика.
Возрастание диэлектрических потерь при температурах более 130°С (рис. 3б) может быть обусловлено увеличением электропроводности нио-бата лития. Возрастание проводимости в Ы№03, согласно [5], в области температуры от комнатной и выше связывается с движением ионов Н+. Наряду с этим в [2, 4] обращается внимание на существенный вклад поляронов в электропроводность ниобата лития. При этом, если ионы Н+ всегда существуют из-за неконтролируемых факторов в процессе роста и монодоменизации образцов, то поляроны малого радиуса в кристаллах ниобата лития образуются вследствие внутренних процессов [6], в частности электрон-фононного взаимодействия, которое возрастает с повышением температуры. Можно предполагать, что при относительно большом электрон-фонон-ном взаимодействии повышение температуры выше некоторой пороговой (в нашем случае Т ~ ~ 130°С) приводит к существенному увеличению плотности зарядов (Н+, КЪ^) и соответственно к возрастанию диэлектрических потерь.
Дополнительный вклад в плотность объемного заряда при температурах выше 130°С может давать
диффузия ионов Ы+, о которой сообщается в [7].
Аномальное поведение в указанном температурном интервале демонстрируют, согласно литературным данным, многие физические свойства ниобата лития [4]. Например, в [3] обнаружена аномалия в виде излома на аррениусовской кривой эффективной электропроводности Ы№03 в температурной области 120—130°С.
В работе [4], где приведены результаты температурных исследований оптических спектров ниобата лития, скачкообразное изменение температурной зависимости электропроводности при температуре ~130°С связывается с перестройкой электронной структуры кристалла, в частности с разрушением поляронов большого радиуса, что, по мнению авторов, не исключает наличия у ниобата лития при этой температуре изоструктурного фазового перехода.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу предположения, что увеличение эффективной диэлек-
56 г
52 -
44
48 -
60
110
160
25 20 15 10 5
210
210 T, °C
Рис. 3. Зависимости е'эф(Т) (а) и еэ'ф (Т) (б) при значениях амплитуды электрического поля 3.98 (1 и 1'), 7.85 (2 и 2') и 13.1 (3 и 3') на частотах 1 (1-3) и 10 Гц
(1'-3').
трической проницаемости и эффективных диэлектрических потерь ниобата лития выше 130° C может быть связано с увеличением концентрации носителей вследствие активации образования по-ляронов малого радиуса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tatyana Volk, Manfred Woehlecke // Springer Series in Materials Science; ISSN 0933-033X; 115. Berlin, 2008. 258 p.
2. Ахмадуллин И.Ш., Голенищев-Кутузов В.А., Мига-чев С.А. и др. // Физика тв. тела. 1998. Т. 40. № 7. С. 1307.
3. Бурханов А.И., Медников С.В., Нгуен Х.Т. и др. // "INTERMATIC-2011": Материалы Международной НПК. М.: Изд-во МИРЭА, 2011. Ч. 2. С. 110.
4. Мясникова Т.П., Мясникова А.Э. // Физика тв. тела. 2003. Т. 45. № 12. С. 2230.
5. Евдокимов С.В., Яценко А.В. // Физика тв. тела. 2006. Т. 48. № 2. С. 317.
6. Buse K. // Appl. Phys. B. 1997. V 64. P. 391.
7. Halstead T.K. // J. Chem. Phys. 1970. V. 53. P. 3427.
S
S
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.