научная статья по теме ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА В БЕСПРИМЕСНОМ КРИСТАЛЛЕ SBN И SBN C ПРИМЕСЬЮ CR Физика

Текст научной статьи на тему «ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА В БЕСПРИМЕСНОМ КРИСТАЛЛЕ SBN И SBN C ПРИМЕСЬЮ CR»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 12, с. 86-89

УДК 537.226.4

ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА В БЕСПРИМЕСНОМ КРИСТАЛЛЕ SBN И SBN С ПРИМЕСЬЮ Сг

© 2007 г. О. В. Малышкина, А. А. Мовчикова, С. С. Маркова, Б. Б. Педько

Тверской государственный университет, Тверь, Россия Поступила в редакцию 24.07.2006 г.

Исследовано распределение поляризации в поверхностных слоях беспримесного монокристалла ниобата бария-стронция и SBN с примесью хрома. Проведено наблюдение доменной структуры полярных и неполярных срезов кристаллов методом травления. Изучались неполяризованные и поляризованные (в поле 500 В/мм) образцы, а также образцы, подвергнутые высокотемпературному (Т = 200°С) отжигу. Выводы о состоянии поляризации в поверхностном слое кристаллов, сделанные на основе анализа частотных зависимостей пиротока, полностью подтверждены наблюдениями доменной структуры.

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллы ниобата бария-стронция БгхВа1 _ хКЬ206 (БВК), относящиеся к классу релак-сорных сегнетоэлектриков и имеющие структуру вольфрамовых бронз, находят широкое применение в оптоэлектронике [1]. Оптические и диэлектрические свойства БВК значительно зависят как от соотношения Бг/Ва, так и от концентрации введенных примесей [2-6]. Согласно литературным данным [7], легирование БВК примесями Сг приводит к снижению температуры фазового перехода.

В данной работе исследовался характер распределения пирокоэффициента в поверхностном слое беспримесного монокристалла БВК конгруэнтного состава (х = 0.61) и БВК (х = 0.61) с примесью Сг. Известно [8, 9], что по частотным зависимостям пиротока можно судить о характере распределения поляризации по толщине образца. В то же время в настоящий момент отсутствуют данные, подтверждающие, что неоднородное распределение пирокоэффициента по толщине образца действительно соответствует наличию в нем доменной структуры.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Нагрев кристалла осуществлялся модулированным тепловым потоком, при этом образец прогревался только на определенную глубину I, зависящую от частоты модуляции теплового потока /. С учетом конечной скорости распространения тепловой волны в образце [10] глубину проникновения можно записать как I = (ал//)1/2, где а - коэффициент тепловой диффузии. Таким образом, пироток в данном случае можно интерпретировать как пироток слоя глубиной I, и, следовательно, пирокоэффициент, рассчитанный по

этому пиротоку, есть эффективный пирокоэффициент слоя.

Коэффициент тепловой диффузии кристалла БВК был определен нами по методике, предложенной Ленгом, описанной авторами [11]. Величина коэффициента тепловой диффузии для кристалла БВК (х = 0.61) составляет 1.9 х 107 м2/с. Частотные зависимости пиротока снимались для всех исследуемых образцов при использовании модуляции теплового потока импульсами прямоугольной формы в диапазоне частот от 2 до 400 Гц при комнатной температуре, что для кристаллов БВК (х = = 0.61) соответствует глубине проникновения тепловых волн в кристалл от 34 мкм до 500 мкм.

Для исследования поляризации в более глубоких слоях образцов применялись цифровые методы обработки сигнала, что позволяло использовать в эксперименте частоты менее 1 Гц. Минимальная частота определяется тепловыми условиями (тепловая волна не должна достигать тыльной поверхности исследуемого образца).

Исследовалась сторона образца, соответствующая отрицательному направлению вектора спонтанной поляризации. Направление поляризации определялось по сравнению фазы пироотклика с фазой модулированного теплового потока.

Распределение пирокоэффициента исследовалось на поляризованных образцах. Поляризация кристаллов осуществлялась путем наложения электрического поля 5 кВ/см в парафазе с дальнейшим охлаждением в поле до комнатной температуры. На этих же образцах методом травления изучалась доменная структура как полярных, так и неполярных срезов. Травление проводилось в парах кипящей смеси плавиковой и азотной кислот: (НК03: ОТ = 2:1) при температуре 40-62°С до достижения контрастных картин. Указанная ме-

у, 10-4 Кл/м2 К

20 100 200 300 400 500 600

Рис. 1. Распределение эффективного значения пиро-коэффициента по толщине беспримесного (а) и легированного Сг (2000 ррт) (б) образцов поляризованного кристалла SBN.

тодика позволяет выявлять доменную структуру кристаллов с 180°-градусными доменами не только на полярных срезах, но и на неполярных вследствие наличия заряженных доменных стенок. Также исследовалось влияние отжига на состояние поляризации и доменной структуры в этих кристаллах. Отжиг в воздухе производился при температуре 200°С в течение трех часов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В поляризованном беспримесном образце ББК наблюдалось неоднородное распределение пиро-коэффициента по толщине образца (рис. 1а). Обнаружено увеличение пирокоэффициента в слое, лежащем на глубине от 100 до 200 мкм. Это свидетельствует о том, что поляризация в слое больше, чем вблизи поверхности и в глубине кристалла. Аналогичное поведение пирокоэффициента наблюдается и в ББК с примесью Сг (2000 ррт) (рис. 16). Такой характер распределения пирокоэффициента может свидетельствовать о том, что

Рис. 2. Картины травления поверхности поляризованного беспримесного кристалла SBN: полярного (а) и неполярного срезов (б).

полной поляризации кристалла во внешнем поле не происходит. Глубина кристалла и слой вблизи поверхности остаются частично деполяризованными. В то же время большая величина поляризации в слое может наблюдаться при наличии на данной глубине объемного заряда, индуцирующего дополнительную поляризацию.

Исследования поверхности поляризованного беспримесного кристалла ББК методом травления до глубины 10 мкм показали наличие доменной структуры (рис. 2а). На рис. 26 представлена картина травления неполярного среза этого образца (полярная ось проходит вертикально). Темные области на фотографии соответствуют полидоменной структуре, светлые - монодоменной. Глубина, на которой расположены полидоменные области, соответствует слоям образца с меньшим значением поляризации (рис. 1а).

На рис. 3 представлены картины травления полярного (рис. За) и неполярного (рис. 36) срезов кристалла 8Б№Сг (2000 ррт). На поверхности неполярного среза кристалла наблюдается структура доменов, вытянутых вдоль направления спонтанной поляризации. Зависимость плотности распределения доменов вдоль полярной оси соответствует характеру распределения эффективного значения пирокоэффициента вблизи по-

88

МАЛЫШКИНА и др.

ВДВ-

(б)

■ Л V Ч ■ ь! V

!■ 50 мкм

I_I

Рис. 3. Картина травления поверхности поляризованного кристалла БВ№Сг (2000 ррт): полярного (а) и неполярного срезов (б).

у, 10-4 Кл/м2 К 14г

12 10 8 6 4 2

(а)

0

у, 10 14

100 200 300 400 "4 Кл/м2 К

(б)

500 600

10-6 м

12 10 8 6 4 2

0 100 200 300 400 500

600 700

10-6 м

верхности данного образца (рис. 16). Из сравнения рис. 2а и 3а видно, что введение примеси Сг приводит к уменьшению на порядок среднего размера доменов по сравнению с чистым кристаллом

Таким образом, сравнительный анализ картин травления и распределения пирокоэффициента показывает, что к неоднородному распределению поляризации в данных кристаллах приводит не наличие объемного заряда, а присутствие в образце полидоменных областей.

На рис. 4 представлены координатные зависимости эффективных значений пирокоэффициента образцов беспримесного кристалла SBN (рис. 4а) и БВ№Сг (рис. 46), поляризованных после отжига. Из сравнения данных зависимостей с аналогичными зависимостями для поляризованных неото-жженных образцов (рис. 1) видно, что отжиг способствует более однородной поляризации как беспримесного БВ^ так и SBN с примесью хрома. В то же время слой с меньшей величиной поляризации, наблюдаемый вблизи поверхности, сохраняется и у отожженных образцов. Картина травления беспримесного кристалла БВ^ поляризованного после отжига, показывает, что поверхностный слой при глубине травления более 5 мкм действительно является полидоменным (рис. 5), это полностью подтверждает вывод, сделанный из анализа результатов пироэлектрических измерений. Срав-

Рис. 4. Распределение эффективного значения пирокоэффициента по толщине беспримесного (а) и легированного Сг (2000 ррт) (б) образцов поляризованного отожженного кристалла БВМ.

нение рис. 5 и рис. 2а показывает, что отжиг кристалла SBN приводит к измельчению доменной структуры.

Рис. 5. Картина травления поверхности полярного среза поляризованного беспримесного отожженного кристалла БВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, визуальное наблюдение доменной структуры беспримесного монокристалла ББК и ББК с примесью Сг полностью подтверждают выводы о неоднородном характере распределения поляризации в образцах, сделанные на основе анализа частотных зависимостей эффективного значения пирокоэффициента.

Для кристаллов беспримесного ББК высокотемпературный отжиг приводит к измельчению доменной структуры и увеличению ее плотности (числа доменов в единице объема). Также к измельчению доменной структуры в кристаллах ББК приводит введение примеси хрома.

Поляризация образцов, предварительно подвергнутых высокотемпературному отжигу, приводит к более однородному распределению поляризации в объеме кристалла, но при этом поверхностный слой остается полидоменным.

Авторы благодарят проф. Б. Kapphan и R. РапкгаШ (университет г. Оснабрюк, Германия) за предоставленные для исследований кристаллы.

Работа выполнена при поддержке программы Минобразования РНП 2.1.1.3674.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. M: Наука, 1982. 400 с.

2. Волк ТР., Салобутин В.Ю., Ивлева Л.И. и др. // ФТТ. 2000. Т. 42. № 11. С. 2066.

3. BaetzoldR.C. // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. № 9. P. 5789.

4. Lehnen P., Kleemann W, Woike Th., Pankrath R. // Phys. Rev. B. 2001. V. 64. P. 224109.

5. Dörfler U, Granzow T, Woike Th. et al. // Eur. Phys. J. B. 2004. V. 38. P. 19.

6. Волк ТР., Иванов Н.Р., Исаков Д.В. и др. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 2. С. 293.

7. Kislova I L., Kutsenko A.B., Kapphan S.E. et al. // RAD. Eff. Def. Solids. 2002. V. 157. P. 1033.

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.

Показать целиком