КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2015, том 60, № 2, с. 289-292
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
УДК 538.911
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСИ Eu НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КРИСТАЛЛОВ SrxBa1 -xNb2O6 © 2015 г. О. В. Малышкина, Б. Б. Педько, В. С. Лисицын
Тверской государственный университет E-mail: Olga.Malyshkina@mail.ru Поступила в редакцию 07.05.2014 г.
Представлены диэлектрические характеристики кристаллов ниобата бария-стронция с примесью Eu 2000, 4000, 8000 и 16000 ppm. Проведено сравнение петель диэлектрического гистерезиса, наблюдаемых в процессе нагрева и при выдержке в электрическом поле при комнатной температуре. Показано, что формирование петли во времени происходит за счет разогрева образца под действием переменного электрического поля.
DOI: 10.7868/S0023476115020186
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы на основе твердых растворов ниобата бария-стронция относятся к релаксорным сегнетоэлектрикам (5гхБа1 _Х1МЬ206) (БВК) и являются широко исследуемыми объектами неоднородных сред [1—11]. Высокие электрооптические коэффициенты (превышающие электрооптические коэффициенты кристаллов группы дигидрофосфата калия и ниобата лития) позволяют использовать 8БМ при оптическом преобразовании частот, создании оптической памяти и в голографии [1—5]. Широкие возможности для фундаментальных исследований и практических применений кристаллов 8БМ обусловлены сильным влиянием примесей на их оптические и диэлектрические свойства [4—8]. Особый интерес представляют исследования процессов переключения, поскольку они, с одной стороны, связаны с возможностью создания управляемой доменной структуры [9], а с другой — могут оказывать существенное влияние на состояние структуры и диэлектрические свойства релаксорных сегнето-электриков [10—12].
ИССЛЕДУЕМЫЕ КРИСТАЛЛЫ
В работе представлены результаты температурных исследований диэлектрических характеристик кристаллов ниобата бария-стронция 8г0 61Ба0 39№206, легированного примесью Ей с концентрацией 2000 (БВК : Еи2000), 4000 (БВК : Еи4000), 8000 (БВК : Еи8000) и 16000 (БВК : Еи16000) ррт. Кристаллы выращены в университете г. Осна-брюк (Германия). Исследования петель диэлектрического гистерезиса осуществлялись по мето-
ду Сойера—Тауера в переменном электрическом поле частотой 50 Гц.
В таблице приведены основные диэлектрические характеристики (температура, при которой наблюдается максимум диэлектрической проницаемости (/йзм = 1000 Гц), значения диэлектрической проницаемости £ при ? = 20°С и в максимуме, коэрцитивное поле (измеренное по петле диэлектрического гистерезиса, / = 50 Гц)) кристаллов 8БМ с разной концентрацией Ей [13], для сравнения представлены соответствующие характеристики беспримесного кристалла 8БМ [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как видно из приведенных в таблице данных, примесь Ей значительно, особенно при температуре максимума, увеличивает значения диэлектрической проницаемости, при этом снижение температуры Кюри с увеличением концентрации примеси незначительное. При комнатной температуре (20°С) величина переключаемой поляризации, рассчитанная по петле диэлектрического гистерезиса, практически не зависит от концентрации примеси (рис. 1), тогда как коэрцитивное поле с увеличением концентрации Ей уменьшается существенно (таблица). Незначительный рост переключаемой поляризации, аналогичный наблюдаемому у беспримесных кристаллов 8БМ [8], имеет место только у 8БМ : Ей 2000 ррт.
Примесь Ей также стабилизирует сегнетоэлек-трические свойства в районе температуры фазового перехода, что проявляется в сохранении формы петли до ее полного исчезновения в точке Кюри (рис. 2) в отличие от беспримесного кристалла у которого петля в процессе нагрева
Р, мкКл/см2 20 16 12 8 4 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
т, °с
Рис. 1. Температурная зависимость спонтанной поляризации Р кристалла ВБК с примесью Ей: 1 — 2000, 2 - 4000, 3 - 8000, 4 - 16000 ррт .
вырождается в эллипс диэлектрических потерь [8, 11]. Для всех исследуемых образцов петля имеет прямоугольную форму, слабое отклонение от которой наблюдалось только при приближении к точке Кюри. У 8БМ : Еи16000 при комнатной температуре имеет место незначительное искажение в виде слабой "перетяжки" петли, исчезающее в процессе нагрева (рис. 2б). Подобные "перетяжки" характерны для кристаллов с примесями [ 14]. Для 8БМ : Ей они наблюдаются только у образцов с высокой концентрацией примеси (16000 ррт) и особенно ярко выражены на частных петлях и в процессе "формовки" петли при выдержке образца в переменном поле постоянной амплитуды (рис. 3а). Отметим, что формирование петли при выдержке в поле осуществляется за счет разогрева образца: на вставках рис. 3 приведены температу-
Диэлектрические характеристики кристаллов SBN с различной концентрацией примеси Eu
Темпера-
тура, при Величина
Концентрация примеси Eu, ат. % которой наблюдается максимум диэлектрической проницаемости, °С Значение е в максимуме Значение е при t = 20°С коэрцитивного поля Ec, В/мм при t = 20°C,
0 84 5300 1170 350
0.2 80 38200 1590 350
0.4 77 39900 1790 310
0.8 69 33500 2690 215
1.6 56 28700 5840 180
ра образца и время, прошедшее с момента подачи на образец переменного поля. В экспериментах температура кристалла фиксировалась дистанционно с использованием тепловизора (Testo—875-1), подача переменного поля осуществлялась скачком. При величине напряженности подаваемого поля меньше коэрцитивного частные петли не наблюдаются и формирования петли при выдержке в поле не происходит, разогрева образца в данном случае также не наблюдается. Эти петли с дальнейшей "формовкой" петли и ее переходом в насыщенную начинают иметь место только при подаче на образец поля, сравнимого по величине с коэрцитивным (рис. 3а — SBN : Eu16000; рис. 3б — SBN : Eu2000). При резком помещении образца в переменное поле, превышающее коэрцитивное, петля раскрывается мгновенно, а затем в процессе разогрева образца под действием поля эволюционирует (рис. 3в) аналогично изменениям, на-
Рис. 2. Температурная зависимость петель диэлектрического гистерезиса кристалла 8Б№Еи2000 (а) и 8Б№Еи16000 (б). Ось У - 2 В/дел; ось X - 94 (а) и 133 (б) В/дел.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСИ
291
Рис. 3. Зависимость петель диэлектрического гистерезиса кристалла от времени выдержки в поле: а, в — 8В№Еи16000 (толщина образца 1.25 мм); б — 8В№Еи2000 (толщина образца 1.15 мм). Подаваемое на образец напряжение: а — 200, б, в - 400 В. Ось У а, в - 5 В/дел, б - 2 В/дел; ось X- 200 В/дел.
блюдаемым в процессе обычного (в термокамере) нагрева образца (рис. 2б).
Обращает на себя внимание тот факт, что величина поля на образце после раскрытия петли (рис. 3) значительно превосходит величину поля,
подаваемого с генератора (через повышающий трансформатор с разведенными обмотками). Особенно сильно это проявляется в случае униполярного образца (рис. 3б). Ранее подобный эффект наблюдался на образцах беспримесного 8ВМ и описан в [8, 11, 13].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования диэлектрических характеристик кристаллов 8БМ с примесью Ей показали, что примесь Ей до 8000 ррт по сравнению с беспримесным образцом не искажает форму петли диэлектрического гистерезиса и не изменяет значений диэлектрической проницаемости и переключаемой поляризации при комнатной температуре. Незначительные искажения петли гистерезиса, характерные для кристаллов с примесями, имеют место только у 8БМ : Еи16000. В то же время наличие в кристалле примеси Ей приводит к сохранению переключательной способности кристаллов 8БМ вплоть до температуры исчезновения макроскопической поляризации, что, по всей видимости, обусловлено меньшим значением проводимости у кристаллов легированных Ей, по сравнению с беспримесным [15].
Контрольные эксперименты с измерением температуры образцов, помещенных в постоянное электрическое поле, значение которого превышало величину коэрцитивного, показали отсутствие нагрева кристаллов. Таким образом, проводимость кристаллов не может быть причиной нагрева образцов в переменном поле. Поскольку разогрев имел место только в тех полях, при которых наблюдались петли гистерезиса (как насыщенные, так и частные), то, по всей видимости, причиной нагрева образца служат переменные механические напряжения, возникающие в нем в процессе переключения поляризации в переменном поле.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. Л.: Наука, 1982. 400 с.
2. Волк Т.Р., Иванов Н.Р., Исаков Д.В. и др. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 293.
3. Kleeman W. // J. Mater. Sci. 2006. V. 41. P. 129.
4. Volk T., Woike Th., Doerfler U. et al. // Ferroelectrics. 1997. V. 203. P. 457.
5. Woike T., Dörfler U., Tsankov L. et al. // Appl. Phys. B. 2001. V. 72. P. 661.
6. Dec J., Kleemann W., Pankrath R. // Eur. Phys. J. B. 2000. V. 14. P. 627.
7. Malyshkina O. V., Movchikova A.A., Pedko B.B. et al. // Ferroelectrics. 2010. V. 405. P. 45.
8. Малышкина О.В., Кислова И.Л., Педько Б.Б. // Материалы VI Междунар. конф. "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение" Александров. 2003. С. 213.
9. Волк Т.Р., Исаков Д.В, Ивлева Л.И. // ФТТ. 2003. Т. 45. С. 1463.
10. Гладкий В.В., Кириков В.А., Иванова Е.С. и др. // ФТТ. 2007. Т. 49. С. 881.
11. Малышкина О.В., Кислова И.Л., Педько Б.Б. и др. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2004. № 4. С. 40.
12. Malyshkina O. V., Ped'ko B.B., Movchikova A.A. et al. // Crystallography Reports. 2005. V. 50. P. S28.
13. Моргушка И.В. Дис. "Диэлектрические свойства кристаллов SBN с примесями Cr, Ce, Rh" магистра физики. Тверь: ТвГУ, 2006.
14. Цедрик М.С. Физические свойства кристаллов семейства триглицинсульфата. Минск: Наука и техника, 1986. 216 с.
15. Malyshkina O.V., Movchikova A., Pedko B.B. et al. // Ferroelectrics. 2010. V. 405. P. 45.
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.