Переключение кристаллов ниобата бария-стронция, чистых и легированных, в импульсных полях

• Автор: Исаков, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Кристаллическая структура кристаллов БВИ

1.2. Сегнетоэлектрические свойства кристаллов 8ВИ

1.2.1. Основные свойства сегнетоэлектриков - релаксоров

1.2.2. Сегнетоэлектрический фазовый переход и диэлектрические свойства кристаллов БВК

1.2.3. Петли гистерезиса и особенности процессов поляризации кристаллов БВЫ

1.3. Общие закономерности импульсного переключения сегнетоэлектриков

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

2.1. Импульсное переключение кристаллов

2.2. Измерения пирокоэффициента

2.2.1 Статический метод
2.2.2. Динамический метод
2.3. Исследуемые кристаллы
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ SBN
3.1. Экспериментальные результаты
3.1.1. Быстрые процессы переключения
3.1.2. Медленные процессы переключения
3.1.3. Обсуждение результатов импульсного переключения кристаллов БВЫ.
3.1.4. Температурные зависимости токов переключения
ГЛАВА 4. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕКИЕ И ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КРИСТАЛЛОВ 8В1Ч:1ТЕ И 8В1Ч:ТМ
4.1. Влияние примесей 11Е на температуру фазового перехода БВЫ
4.2. Полевые характеристики кристаллов 8ВИ:КЕ
4.3. Влияние примесей ЯЕ на пирокоэффициент в 8ВИ
4.4. Обсуждение результатов влияния примесей на сегнетоэлектрические свойства 8ВИ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Кристаллы твердых растворов ниобата бария-стронция ЗгхВа^хМъОб (БВЫ-х) относятся к числу наиболее интенсивно исследуемых в настоящее время оксидных сегнетоэлектриков. Прежде всего, это обусловлено их уникальным набором свойств для практических применений, поскольку кристаллы БВЫ обладают чрезвычайно высокими значениями диэлектрической проницаемости, пиро-, пьезо- и электрооптических коэффициентов. Благодаря этому они находят применения как в обычных, так и в пленочных и волноводных структурах. Кроме того, БВИ с некоторыми примесями (Се, Сг, Со) является одним из наиболее актуальных материалов для динамической голографии, в частности, для обращения волнового фронта, а также в качестве среды для оптической памяти.
Наряду с потенциальными практическими возможностями кристаллы БВЫ представляют интерес для фундаментальных исследований, так как принадлежат к классу сегнетоэлектрических релаксоров с размытым фазовым переходом и рассматриваются как модельные объекты для исследования таких систем. В частности, именно в БВИ были обнаружены так называемые «нанодомены» - полярные кластеры в неполярной матрице.
Несмотря на то, что кристаллы БВЫ были получены и впервые исследованы около 40 лет тому назад, наиболее широкие исследования начались сравнительно недавно. Это связано в первую очередь с тем, что лишь в последнее время были разработаны оптимизированные условия выращивания этих кристаллов, позволяющие получить однородные кристаллы хорошего оптического качества. В частности, большие успехи в выращивании БВЫ оптического качества достигнуты в НЦЛМиТ ИОФ РАН.
Практические возможности и удобство для фундаментальных исследований кристаллов БВЫ обусловлены исключительно сильной зависимостью фазового перехода и, как следствие, всех свойств от состава, в

первую очередь от соотношения [8г]/[Ва], а также, как показано в последнее время, от легирования сравнительно низкими концентрациями некоторых примесей. Поэтому оптимизация параметров БВИ путем подбора примесей является одной из актуальных задач.
В литературе имеется довольно большое число публикаций по фазовым переходам и релаксорным свойствам нелегированных кристаллов БВЫ. Однако, целый ряд сегнетоэлектрических свойств, в частности в кристаллах БВИ с примесями, практически не исследовался. Это в первую очередь касается сегнетоэлектрического переключения 8ВЫ, по которому в литературе вообще не имеется публикаций.
Исследование сегнетоэлектрического переключения 8ВИ представляет интерес не только с точки зрения изучения отклика релаксорного сегнетоэлектрика на полевое воздействие, но также в связи с тем, что в БВИ обнаружен целый ряд специфических оптических эффектов, связанных с импульсным переключением и динамикой доменной структуры. К этим эффектам относятся, например, электрическая фиксация голограмм, связанная с сегнетоэлектрическим переключением и обеспечивающая неразрушающее оптическое считывание, а также преобразование оптических частот на доменной структуре. По оптическим применениям этих эффектов имеется обширная библиография, однако, сегнетоэлектрический аспект -динамика переключения, характеристические времена и проч., вообще не исследовались.
В то же время, исследования поляризации в квазистатических полях, выполненные В. В. Гладким с соавт., обнаружили ряд аномалий кинетики, которые также предполагают возможность некоторой специфики импульсной переполяризации.
Исследования процессов поляризации 8ВИ с практической точки зрения информативны также для объяснения невоспроизводимости параметров и эффектов усталости, характерных для этих кристаллов.

структура». В этом состоянии переполяризовать образец в электрическом поле практически не удается, а доменная структура визуально не наблюдается. Эти особенности исходной доменной структуры авторы относят за счет закрепления доменных границ объемными зарядами или механическими напряжениями. Только отжиг кристаллов выше точки Кюри и последующие охлаждения в электрическом поле изменяют тип доменной структуры и позволяют получить нормальную петлю диэлектрического гистерезиса и сквозные домены.
В работе [77] предложено новое описание кинетики переключения поляризации с учетом геометрических превращений на границах, позволяющее извлекать детальную информацию о кинетике доменов из формы импульсов тока переключения. Достоверность описания количественно подтверждена результатами математического моделирования для эпитаксиальных тонких пленок цирконата - титаната свинца и прямыми экспериментами в модельных сегнетоэлектриках [78, 79]. По результатам работы [78], процесс переключения состоит из нескольких частей, разделяемых так называемыми геометрическими катастрофами, в которых меняется размерность кинетического процесса. Разработанный подход считается универсальным и применимым для большинства сегнетоэлектрических кристаллов.
В литературе имеется несколько работ, описывающих импульсное переключение или подобные процессы в релаксорных системах [80-82]. Например, в работе [80] исследовались процессы изменения поляризации в кристаллах РММ в импульсном электрическом поле с помощью электролюминесценции. Обнаружена зависимость амплитуды импульсов электролюминесценции от длительности импульсов электрического ПОЛЯ. Эта зависимость связывается авторами с процессами экранирования и закрепления доменных и межфазных границ. Полученные результаты свидетельствуют о наборе различных механизмов изменения поляризации в релаксорном состоянии РМЛ: могут индуцироваться локальные