ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, Том 2, №4, 2006, стр. 19-24
========^= ФИЗИКА =
УДК 537.226.33
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ РАЗЛИЧНЫХ СЕГНЕТО-И АНТИСЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ © 2006 г. В.В. Гершенович1, E.H. Сидоренко1, Л.А. Резеичееко2, Р.К. Бабичев1, И.И. Натхин1
В диапазоне частот 7,8-11,8 ГГц исследованы спектры поглощения электромагнитной энергии L(f) в сложных Nb- и Ti-содержащих оксидах различных структурных групп: NaNb03, AgNb03, PbNb2/3Mgj/303, Sr2Nb207, Ca2Nb207, PbNb206, BaTi03, СаТЮ3, CdTi03; а также в твердых растворах систем (Na, Pb)(Nb, Ti)03 (I) и Pb(Zr, Ti)03 (II). Отмечено, что для спектров соединений PbNb206, NaNb03, AgNb03, Sr2Nb207 и Ca2Nb207 характерны большие (до 30-40 дБ) максимумы поглощения резонансного типа, что связывается с кристаллохимическими особенностями строения этих соединений и с наличием в них сегнетоэлектрических состояний. Для I, II установлены концентрационные зависимости величины максимального поглощения энергии в спектрах, анализ которых показал, что в изученных бинарных системах твердых растворов имеет место корреляция между положениями фазовых границ и максимумов потерь СВЧ-энергии. Рассмотрено влияние технологических факторов на поглощательную способность твердых растворов I.
Одной из задач производства радиоэлектронной техники и микроэлектроники является получение материалов, эффективно поглощающих сверхвысокочастотные (СВЧ) электромагнитные (ЭМ) излучения. Материалы, обладающие этим свойством, в настоящее время находят широкое применение в технике СВЧ (фазовращатели, фильтры, коммутаторы), а также в качестве различных радиопоглощающих покрытий [1-3]. В связи с этим поиск и изучение таких материалов представляется актуальным.
В данной работе исследованы спектры поглощения СВЧ-энергии ЭМ-поля £(/) следующих сегнето- (СЭ) и антисегнетоэлектрических (АСЭ) соединений, принадлежащих к различным структурным типам: МаЫЬОэ (АСЭ), AgNbOз (АСЭ), РЬЗЧЬ^М^Оз (СЭ-релаксор), ВаТЮ3 (СЭ), СаТЮ3 (СЭ), С<Ш03 (СЭ) - перов-скита; 8г2№207 (СЭ), Са2ЫЬ207 (СЭ) - слоистых; РЬ№>206 - калиево-вольфрамовой бронзы; а также твердых растворов (ТР) систем состава (1 - лОЫаМЮз - *РЬТЮ3 (0,15 ^ х ^ 0,26, исследовательский концентрационный шаг Ах = 0,005) и
1 Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону.
2 Научно-исследовательский институт физики Ростовского государственного университета, Ростов-на-Дону.
(1 - *)PbZr03- хРЬТЮ3 (0,37 £ х 0,57, Лх = 0,01, 0,005).
Целью данной работы является установление закономерностей формирования спектров поглощения энергии ЭМ-волн СВЧ-диапазона в указанных объектах, в том числе с различной термодинамической предысторией; оценка влияния технологических факторов на их поглощательную способность; выявление на основании полученных результатов соединений и TP с наибольшим поглощением энергии, перспективных для практического использования.
Все исследованные соединения (за исключением PbNb206) и TP системы Pb(Zr, Ti)03 получены по обычной керамической технологии (твердофазный синтез с последующим спеканием без приложения внешнего давления) в диапазоне температур 1350-1670 К, в зависимости от состава. Соединение PbNb206 получено методом горячего прессования (ГП) при значении величины давления прессования Р - 200 кг/см2. Твердые растворы системы (Na, Pb)(Nb, Ti)03 приготовлены твердофазным двухстадийным синтезом с последующим спеканием методом ГП при температурах 1320-1470 К в зависимости от состава. Получено три группы TP, различающихся значением величины давления прессования: Ру = 0 кг/см2, Р2 = 200 кг/см2 и Р3 = 400 кг/см2.
ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН т. 2 № 4 2006
2*
Для измерений спектровиспользовалась установка, состоящая из генератора качающейся частоты, широкополосной микрополосковой линии (МПЛ), работающей в режиме бегущей волны, и панорамного измерителя коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) Р2-61 в диапазоне частот 7,8-11,8 ГГц [4]. Поскольку ЭМ-поле высокой напряженности локализовано вблизи краев центрального проводника МПЛ, при перемещении исследуемого образца по поверхности МПЛ можно было вызывать взаимодействие ЭМ-поля с отдельными его областями, добиваясь максимального поглощения энергии. Изучено по 8-10 представительных образцов каждого соединения и ТР при комнатной температуре. Все образцы имели форму диска диаметром 10 мм и толщиной 1 мм, металлические электроды отсутствовали.
В спектрах поглощения СВЧ-энергии ЭМ-по-ля соединений РЬЫЬ206, На1МЬ03, AgNbOз, 8г2МЬ207 и Са^ЬзО? имеют место большие (до 30-40 дБ) максимумы поглощения резонансного типа (рис. 1). Прежде всего это связано с присутствием в изученных веществах СЭ-состояний (в том числе и в АСЭ №1ЧЬ03, А§ЫЮ3 [5,6]), т.е. с наличием в их кристаллитных зернах специфической доменной структуры [7]. Отдельные элементы структуры (а-доменные клиновидные двойники) могут резонировать при воздействии ЭМ-поля, способствуя эффективному поглощению СВЧ-энергии. Дополнительными причинами значительного поглощения энергии являются особенности кристаллического строения анализируемых соединений. Так, "рыхлость" структуры ниобатов натрия и серебра, обусловленная
Частота, ГГц
Рис. 1. Спектры поглощения энергии ЭМ-поля соединений: 1 - РЬМЬ206; 2 - КаМз03; 3 - AgNb03; 4 - 8г2ЫЪ207; 5 -Са2ИЬ207
несоответствием кристаллохимических параметров компонентов структуре перовскита (собственные размеры катионов и А§+ значительно меньше размеров межоктаэдрических полостей, в которых они расположены [8]), благоприятствует высокой чувствительности их свойств, в том числе подвижности доменных границ по отношению к внешним воздействиям [5]. Кроме того, для этих соединений характерно блочное строение, сформированное за счет наличия упорядоченных протяженных дефектов - незаполненных межблочных каналов [9]. Под действием возникающих в местах их зарождения механических напряжений возможно изменение доменной структуры и возникновение условий для перераспределения поляризованных нанокластеров СЭ-фазы.
При исследовании АСЭ-соединений в более ранних работах [10] не было обнаружено СВЧ-дисперсии диэлектрической проницаемости, хотя указывается, что на частоте 37 ГГц наблюдался 4-7%-ный ее спад, сопровождаемый ростом тангенса угла диэлектрических потерь. Для подтверждения наличия обнаруженного нами поглощения в исследованных соединениях измерительная установка перестраивалась и работала в режиме измерения КСВН. Полученное при этом совпадение минимума в частотной зависимости КСВН со спектральным максимумом потерь свидетельствует о том, что в данном диапазоне частот наблюдалось поглощение энергии, обусловленное резонансными явлениями элементов структуры. То есть острые пики поглощения энергии в спектрах не являются эффектом отражения ЭМ-волны от неоднородности, создаваемой образцом на МПЛ. Об этом же свидетельствует тот факт, что спектр потерь энергии с максимумом резонансного типа практически не изменяется при смещении образца вдоль центрального проводника МПЛ.
Дополнительной причиной наличия большого пика поглощения СВЧ-энергии ЭМ-поля в спектре РЫЧЬ2Об является, вероятно, существование незаполненных межоктаэдрических пустот в трех-, четырех- и пятиугольных каналах его структуры [11], а в 8г2]ЧЪ207 и Са21ЧЬ207 - слоистость структуры этих соединений.
По-видимому, из-за отсутствия условий для резонансных явлений элементов доменной структуры максимумы в спектрах соединений РЫЧЬ2/зМ§1/303 и ВаТЮ3 (на рис. 1 не показаны) не наблюдались, а средний уровень потерь в исследованном диапазоне частот составлял 7-10 дБ. Спектры соединений СаТЮ3 и С<Ш03 имели сложную, изрезанную форму с большим количе-
ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН т. 2 № 4 2006
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ
21
Рис. 2. Спектры поглощения энергии ЭМ-поля в ТР (1 - .г)КаГЧЬ03 - лРЬТЮ3, спеченных при различных значениях давления ГП Р (кг/см2): I - 400; II - 200; Ш - 0. х = 0,15 (а); х = 0,2075 (б); х = 0,2425 (в)
Рис. 3. Спектры поглощения энергии ЭМ-поля в неполяризовэнных (I) и поляризованных (II) ТР (1 - x)PbZr03— ХРЬТЮ3. л: = 0,39 (а); л = 0,45 (о); х = 0,56 (в)
ством максимумов поглощения различной величины и хаотически изменялись при всяком перемещении образца относительно полоски МИЛ.
На рис. 2 и 3 представлены сплошные спектры поглощения ЭМ-энергии ТР систем РЬ)(№>, Т1)03, и РЬ(2г, ТООз соответственно (для некоторых значений концентрации РЬТЮ3).
На основе полученных экспериментальных данных для исследованных систем ТР были установлены зависимости величины максимального поглощения энергии ЭМ-поля в спектрах от концентрации РЪТЮ3, представленные с наложением на них фазовых диаграмм на рис. 4 и 5.
Во всех случаях, как видно на рис. 4 и 5, зависимости Цд) немонотонные: вблизи межфазных границ и границ областей сосуществования раз-носимметричных фаз - морфотропных областей (МО), как правило, расположены максимумы поглощения СВЧ-энергии ЭМ-поля различной величины. Таким образом, для рассматриваемых
систем характерна корреляция между положениями максимумов потерь энергии и фазовых границ. По-видимому, важную роль в формировании спектров поглощения играют протяженные дефекты - межфазные границы, усиливающие поглощение именно в местах их расположения.
Для керамик системы (Na, Pb)(Nb, Ti)03, полученных при разных условиях, средние уровни L различны. Так, для ТР, спеченных при Р = 400 кг/см2, средний уровень поглощения энергии составляет ~10 дБ. По мере уменьшения величины давления ГП происходит постепенный рост среднего значения L 12-15 и 20 дБ при Р = 200 кг/см2 и 0 кг/см2 соответственно.
Согласно [12], при ОД 5 5 х <> 0,205 (области 2 и 2 на рис. 4) имеет место характерная для NaNb03 ромбическая (.R) симметрия с моноклинной (Af) удвоенной перовскитной подъячейкой R{MT). Максимум в зависимостях L(x), соответствующий значению х - 0,155 концентрации PbTi03,
вероятно, объясняется изменением характера композиционного упорядочения разновалент-ных катионов, находящихся в одинаковых кристаллографических позициях. При этом в силу
0,14 0Д6 0,18
Концентрация 0,20 0,22
0,24 0,26 *
-10
s о.
t
|-30
-50 L
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.