КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 1, с. 138-141
^ ^^^^^^ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КРИСТАЛЛОВ
УДК 537.226
К 80-летию Л.А. Шувалова
ВНУТРЕННЕЕ СМЕЩАЮЩЕЕ ПОЛЕ В КРИСТАЛЛЕ ТГС С РАЗЛИЧНЫМИ ПРИМЕСЯМИ
© 2004 г. А. С. Сидоркин, С. Д. Миловидова, О. В. Рогазинская, А. А. Сидоркин
Воронежский государственный университет E-mail-.sidorkin@dom.vsu.ru Поступила в редакцию 27.06.2003 г.
Исследуется влияние внутреннего поля смещения, созданного примесями ионами тяжелых металлов и молекулами альфа-аланина, на диэлектрическую нелинейность и эмиссионные свойства сег-нетоэлектрического кристалла триглицинсульфата. Показано, что в области фазового перехода возрастает роль дефектов, что проявляется в уменьшении максимальных значений эффективной диэлектрической проницаемости и увеличении эмиссионного тока с ростом концентрации примеси.
Введение тем или иным способом дефектов в кристалл сегнетоэлектрика оказывает значительное влияние на большинство его электрических свойств. Ориентированная система дефектов приводит к созданию униполярности сегнетоэле-ктрического материала. Способы введения дефектов, а, значит, и создания униполярного состояния могут быть различными. Один из них -введение в кристалл примеси в процессе его роста. В частности, известно [1, 2], что введение молекул Ь, а-аланина (примеси замещения) или ионов тяжелых металлов (примеси внедрения) в триглицинсульфат (ТГС) приводит к созданию униполярного состояния кристалла, степень которого зависит от концентрации примеси. Тот же эффект может быть достигнут за счет облучения сегнетоэлектрического материала или при выращивании кристалла из униполярной затравки [3].
В настоящей работе исследуется влияние внутреннего смещающего поля на диэлектрическую нелинейность и электронную эмиссию кристаллов ТГС с примесями трехвалентных ионов европия, молекул Ь, а-аланина, а также выращенных из облученных рентгеновскими лучами затравок. Образцы для исследований приготавливались по обычной методике. Из выращенных кристаллов ТГС с ионами трехвалентного европия выпиливался брусок, длина которого (~40 мм) совпадала с полярной осью У в направлении грани (010), а поперечное сечение (5 х 5 мм2) находилось в плоскости XX. Затем брусок раскалывался по плоскостям спайности на образцы толщиной ~1 мм. Электродами служило серебро, напыленное в вакууме. Величина и знак поля смещения оценивались по смещению петель диэлектрического гистерезиса вдоль оси Е.
Проведенные исследования показали, что кристаллы ТГС с примесью европия имеют высокую степень монодоменности: визуально на поверхности скола наблюдаются домены достаточно больших размеров (3 х 7 и более мм) с необычной прямоугольной формой вместо типичных для ТГС линзовидных. Такие результаты, вероятно, как и в кристаллах ТГС с Ь, а-аланином, могут быть связаны с созданием больших упругих напряжений в процессе выращивания кристаллов ТГС с ионами европия из-за большого ионного радиуса последнего.
Как известно, зависимость эффективной диэлектрической проницаемости чистого кристалла ТГС от величины напряженности переменного электрического поля имеет характерный максимум в полях, сравнимых с коэрцитивными Ес. По мере приближения к температуре Кюри значение £эф в максимуме растет и смещается в область слабых полей. В зависимостях £эф(Е~) для кристаллов ТГС с большой концентрацией молекул Ь, а-ала-нина и ионов хрома наблюдаются минимумы, которые можно связать с наличием внутренних смещающих полей [4, 5]. Причем для кристаллов ТГС с хромом максимумы этих зависимостей наблюдаются в полях, приблизительно равных Есм, в то время как для чистого ТГС - в полях, равных Ес.
В [6] представлены зависимости еэф(Е) для кристаллов ТГС с малыми значениями внутренних полей Есм (30-40 В / см), созданными ионами хрома и рентгеновским облучением. Качественно эти зависимости такие же, как и в случае больших полей Есм [3, 4], однако максимумы зависимостей еэф(£) при комнатной температуре наблюдаются в полях 300-400 В/см, т.е. на порядок 6(5 льших по
геф 104
X х
/ Ч/ X
К V \
1 2 3 .4
5
6
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5
Е~, кВ/см
Рис. 1. Зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от напряженности переменного электрического поля (/ = 50 Гц) для кристалла ТГС с примесью ионов европия при различных температурах. 1 - 19.2: 2 - 34.8, 3 - 41.2, 4 - 45.0, 5 - 47.5: 6 - 48.6°С.
сравнению с Есм. Для кристаллов с хромом значения максимумов гэф уменьшаются по мере приближения температуры к точке Кюри. Для облученных рентгеновскими лучами образцов крис-
талла ТГС значение 8,
эф
максимуме сначала
растет, как и для чистого ТГС, и только за два градуса до точки Кюри падает [6].
На рис. 1 приведены зависимости 8эф от напряженности внешнего электрического поля Е для кристаллов ТГС с примесью трехвалентных ионов европия (1 моль % в растворе). В отличие от чистого кристалла ТГС, как и для всех исследованных ранее примесей, в указанной зависимости 8эф(Е) наблюдаются минимумы. Причем минимумы наблюдаются в полях, сравнимых со значениями внутренних смещающих полей, определенных по смещению петель диэлектрического гистерезиса. Очевидно, до тех пор, пока внешнее приложенное поле меньше внутреннего, оно не приводит к росту поляризации и 8эф падает. Как только внешнее поле становится больше по величине внутреннего смещающего поля, начинается обычное, как и для чистого кристалла ТГС, увеличение 8эф с ростом поля Е. При приближении к температуре фазового перехода область минимальных значений 8эф сужается и смещается в сторону меньших по величине полей. Последнее находится в хорошем согласии с уменьшением внутренних смещающих полей при повышении температуры. Одновременно при этом происходит уменьшение значения 8эф в максимумах рассматриваемых зависимостей (кривая 3 рис. 2).
Для образцов кристалла ТГС с Ь, а-аланином характерно малое изменение максимальных значений 8эф с ростом температуры, уменьшение этих значений происходит лишь в области фазового перехода (кривая 4 рис. 2).
Полученные экспериментальные данные указывают на возрастание роли дефектов и внутреннего смещающего поля вблизи температуры фазового перехода. Это подтверждается и исследованием петель диэлектрического гистерезиса для кристаллов ТГС с малым содержанием указанных дефектов. Ряд образцов как с хромом, так и
8ет 104 8
6
4
2
8ет 105
2
20
30
40
50
г, °С
Рис. 2. Температурные зависимости максимальных значений эффективной диэлектрической проницаемости для образцов кристалла ТГС. 1 - чистый, 2 - с примесью ионов хрома, 3 - ионов европия, 4 - молекул Ь, а-аланина.
1
140
у, 103, имп/с
6
-
г
,1 2 мТ1
/ щ
1/ 1
Адл^
СИДОРКИН и др.
у, 103, имп/с
6-
40
50
60
г, °С
Рис. 3. Температурные зависимости эмиссионного тока для чистого кристалла ТГС, выращенного из униполярной затравки, облученной рентгеновскими лучами антипараллельно направлению макроскопической поляризации для образцов, расположенных на разных расстояниях от затравки: 1 - 1, 2 - 6, 3 - 10 мм.
2-
40
50
60 г, °С
Рис. 4. Температурные зависимости эмиссионного тока для кристалла ТГС с примесью молекул Ь, а-ала-нина (1 моль % в растворе), выращенного из униполярной затравки, облученной рентгеновскими лучами параллельно направлению макроскопической поляризации для образцов, расположенных на разных расстояниях от затравки. 1 - 8, 2 - 16 мм.
облученных рентгеновскими лучами дает нормальную, несмещенную петлю гистерезиса при комнатной температуре. При температуре порядка 47°С на петле появляется перетяжка, затем она становится двойной и остается такой до полного исчезновения в точке Кюри.
Одним из свойств, наиболее чувствительных к введению в кристалл дефектов, является эмиссия электронов из сегнетоэлектрика, стимулированная различным образом. Как известно, эмиссия электронов из чистых кристаллов ТГС, выращенных из необлученных затравок, характеризуется наличием двух максимумов в температурной зависимости эмиссионного тока: один - в области перестройки доменной структуры (в дальнейшем первый максимум), второй - в области фазового перехода (второй максимум) [7]. Измерения плотности тока эмиссии ]ет проводились с помощью ВЭУ по стандартной методике [7] в вакууме 6.5 х 10-3 Па. Проведенные нами исследования влияния облучения затравки на характер температурной зависимости эмиссионного тока в случае, когда направление потока рентгеновских лучей совпадает с направлением макроскопической (преимущественной) поляризации Рм затравки, позволили получить следующие результаты. Для образцов чистого ТГС, выращенного из затравки, облученной указанным способом и непосредственно примыкающих к затравке, также можно
выделить указанные выше два максимума (кривая 1 рис.3) в температурной зависимости ]ет(Т). При этом интенсивность термостимулированной электронной эмиссии в первом максимуме превышает интенсивность эмиссии в области фазового перехода.
Отличительной особенностью этих кривых, что хорошо иллюстрируется рис. 3, является почти плавное увеличение значений тока в первом максимуме при удалении образцов от затравки и уменьшение области, разделяющей указанные выше два максимумов с последующим их слиянием.
Исследования электронной эмиссии для образцов кристаллов ТГС с Ь, а-аланином, выращенных из облученных рентгеновскими лучами затравок, показали другой результат. Для образца у затравки характерно наличие двух указанных выше максимумов зависимости ]ет(Т), хотя и не очень ярко выраженных. По мере удаления образцов от затравки первый максимум уменьшается, а второй в области фазового перехода растет. Для самого удаленного от затравки образца (кривая 2 рис. 4) можно говорить лишь об одном основном максимуме.
Проведенные исследования электронной эмиссии кристаллов ТГС - чистого, с примесями молекул Ь, а-аланина, а также выращенных из облученной рентгеновскими лучами затравок по-
4
4
2
казали следующее. Величина и положение двух характерных максимумов эмиссионного тока (в области перестройки доменной структуры и в области точки Кюри) зависят не только от типа примеси, вводимой в кристалл, облучения затравки, но и от того, на каком расстоян
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.