КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 1, с. 51-56
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 548.73
ИЗМЕРЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНСТАНТ КРИСТАЛЛА ЛАНТАН-ГАЛЛИЕВОГО ТАНТАЛАТА РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫМИ
МЕТОДАМИ
© 2013 г. А. Е. Благов, Н. В. Марченков, Ю. В. Писаревский, П. А. Просеков, М. В. Ковальчук
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: marchenkov@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 12.10.2012 г.
Предложен и реализован метод измерения пьезоэлектрических модулей кристаллов средних синго-ний методом квазимноговолновой рентгеновской дифракции. Метод позволяет определять величину пьезомодуля за счет измерения вариации параметра кристаллической решетки в условиях наложения внешнего электрического поля. Представлены результаты апробации метода, проведены оценки его возможностей и сравнение с результатами, полученными методом высокоразрешающей дифрактометрии.
DOI: 10.7868/S0023476113010050
ВВЕДЕНИЕ
Непрерывное развитие современных технологий требует разработки новых и усовершенствования существующих пьезоматериалов, которые являются основой целого ряда разнообразных устройств и приборов. Для этого необходимо иметь точный и объективный метод измерения пьезомодулей, так как именно эти величины в первую очередь характеризуют пьезоэлектрические свойства материала.
Традиционное определение пьезоэлектрических констант проводится путем измерения электрического поля в кристалле в зависимости от внешней вынужденной деформации (прямой пьезоэффект) либо измерения деформации всего кристалла в зависимости от величины прикладываемого внешнего электрического поля (обратный пьезоэффект). Одним из таких методов является метод изменения длины кристалла по интерференционной картине в интерферометре Майкельсона, в котором торец кристалла является одним из плеч интерферометра [1]. Изменение интерференционной картины в зависимости от приложенного к кристаллическому образцу электрическому полю напрямую связано с величиной пьезоэлектрического модуля.
Традиционные методы объединяет то, что в основе их всех лежат измерения макроскопической деформации всего кристалла, который рассматривается как непрерывная среда. Существенным отличием обладают рентгеновские методы исследования структуры кристалла, позволяющие фиксировать деформации кристалла на уровне элементарной ячейки. Это обусловлено тем, что длина волны рентгеновского излучения сораз-
мерна с параметрами межатомных расстояний в кристалле. Среди очевидных преимуществ рентгеновских методов можно выделить то, что их использование позволяет локально определять деформации в различных точках исследуемого образца и таким образом получать карту распределения деформаций по поверхности кристалла. Пространственное разрешение подобной карты зависит от того, насколько узкий пучок падает на образец, а следовательно, определяется лишь особенностями экспериментальной установки и схемы измерений. Помимо этого, рентгеновские методы обладают высокой чувствительностью к смещениям атомов из их регулярного положения, благодаря чему достигается необходимая точность измерения деформаций кристаллической решетки, а также возможность напрямую получать информацию о реальной структуре образца.
В последнее время активно развиваются методы исследования структуры и поверхности твердотельных объектов с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), которые также применимы для изучения пьезоэлектрических свойств, но пока эти методы не достигли уровня, необходимого для точных метрологических измерений. К настоящему времени не разработаны методики учета создаваемых зондом неоднород-ностей электрического поля и особенно механической деформации. Существенной трудностью, возникающей при использовании СЗМ-методов, является влияние зонда на поверхность исследуемого образца, что значительно осложняет оценку реальной деформации структуры при воздействии на объект электрическим полем.
51
4*
На сегодняшний день известен ряд экспериментальных работ по исследованию пьезоэлектрических свойств кристаллов с помощью рентгеновских методик, основанных на измерении величины углового смещения брэгговского отражения одного рефлекса при наложении на исследуемый образец внешнего электрического поля. В [2] при использовании синхротронного излучения в схеме Реннингера были измерены пьезомодули кристалла гидрохлорида моногидрата Х-аргинина. Данный метод позволяет получить необходимую информацию для вычисления различных пьезоэлектрических коэффициентов, но в силу измерения пиков от атомных плоскостей с большими значениями индексов Миллера требует высокой интенсивности падающего пучка, и, как следствие, использования синхротронного излучения. В [3, 4] с помощью прецизионного измерения смещения брэгговского пика и вычисления соответствующих межплоскостных расстояний определены значения пьезомодулей для кристаллов В1В3Об. Подобный метод реализуем в лабораторных условиях, но требует высококачественной юстировки рентгенооптической схемы.
Метод квазимноговолновой рентгеновской дифракции [5] позволяет проводить исследования относительного изменения параметров кристаллической решетки, реализуем в лабораторных условиях и также достаточно прост с точки зрения юстировки экспериментальной схемы. Он основан на измерении углового расстояния между пиками кривых дифракционного отражения (КДО), соответствующими двум системам атомных плоскостей, для которых выполняются условия, близкие к многоволновой дифракции. Этот метод обладает высокой чувствительностью к изменениям параметров решетки кристалла и может быть использован для определения деформаций, возникающих в образце при наложении внешнего электрического поля. Зависимость этих деформаций от величины поля позволяет напрямую определять пьезомодули исследуемых кристаллов. Помимо этого, локальность метода ква-зимноговолновой дифракции дает возможность измерять деформации, а следовательно, величину пьезомодуля, в различных точках образца, что важно при исследовании кристаллов с варьирующимся стехиометрическим составом.
В настоящей работе метод квазимноговолно-вой дифракции впервые применен для измерения величины пьезоэлектрического модуля. Для подтверждения применимости данного метода и достоверности полученных с помощью него результатов величина пьезомодуля была также измерена методом высокоразрешающей дифрактометрии.
ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
Кристаллы лантан-галлиевого танталата (лан-гатат, Ьа^а5.5Та0.5О14, ЬОТ) являются перспективными материалами для современной акусто-электроники и пьезотехники. Обладая благоприятным сочетанием высокой акустической добротности, термостабильности, сравнительно высоких пьезосвойств, низкими диэлектрическими потерями при высоких температурах, кристаллы LGT на сегодняшний день широко используются в селекции частот, датчиках давления при высоких температурах и давлениях и др.
Кристаллы LGT принадлежат к тригональной сингонии, к кристаллографическому классу 32, вследствие чего их матрица пьезоэлектрических коэффициентов имеет следующий вид:
d11 -d11 0 d14 0
0
0 0 0 0 -d14 2d11
0 0 0 0 0
0
(1)
Образцы для исследований были изготовлены в виде тонких пластин прямоугольной формы с размерами 12 х 10 х 0.12 мм, вырезанные из кристалла LGT. Нормаль к плоскости пластины направлена вдоль оси [1120] (оси X), а длинная сторона — вдоль оси [10 10] (оси Y). На грани (1120) методом термического распыления были нанесены Au-проводящие покрытия с подслоем Cr, необходимые для создания однородного во всем объеме образца электрического поля, направленного вдоль оси x кристалла.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Эксперименты по определению пьезоэлектрического модуля кристалла LGT методом высокоразрешающей дифрактометрии проводились на автоматизированном рентгеновском дифракто-метре SmartLab Rigaku с использованием двух-кристальной схемы дифракции в геометрии Брэгга (рис. 1). Дифрактометр оснащен источником излучения с вращающимся молибденовым анодом мощностью 9 кВ. Пучок формировался с использованием симметричного двукратного моно-хроматора Ge 220 и проходил через него без изменения своего направления, после чего ограничивался в вертикальном (рабочем) направлении щелью 0.05 мм перед исследуемым образцом. Это позволяло использовать спектральную линию MoZ"a1 (X = 0.70932 Á), а также задавать пространственное разрешение (локальность) измерений при проведении экспериментов.
Интенсивность дифрагированного пучка регистрировалась сцинтилляционным (Nal) детектором; измерялись зависимости интенсивностей двумя способами: при изменении угла ю и фикси-
Рис. 1. Схема эксперимента по определению пьезомодуля исследуемого кристалла методом высокоразрешающей двухкристальной дифрактометрии: ХБ — источник рентгеновского излучения, Б — детектор, 5 — исследуемый образец, 9 — угол Брэгга, (кк!) — индексы Миллера регистрируемого рефлекса. Стрелками показаны направление 29-сканиро-вания для определения двойного угла Брэгга и направление ю — сканирования для точной установки кристалла в отражающее положение.
рованном угле 29 (запись КДО); при изменении угла 29 и фиксированном угле ю в плоскости рассеяния (измерение двойного брэгговского угла). Первая процедура необходима для определения угла падения пучка, соответствующего точному бэгговскому положению, и последующей установки источника излучения под указанным углом. Когда ю равен углу Брэгга, вторая процедура позволяет непосредственно измерить двойной угол Брэгга 29 выбранного рефлекса.
В эксперименте для определения пьезоэлектрического модуля кристалла LGT проводились измерения двойного угла Брэгга 29 рефлекса (770) без поля и при приложении напряжения +300 и —300 В (что с учетом толщины исследуемых кристаллов эквивалентно напряженности электрического поля 2.5 х 106 В/м).
Атомные плоскости, соответствующие данному рефлексу, расположены перпендикулярно направлению линий напряженности прикладываемого электрического поля, что приводит к возникновению в результате наложения поля деформаций кристаллической решетки (изменения межплоскостного расстояния), обусловленных только пьезомодулем d11. Поскольку рентгеновская дифракция чувствите
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.