Процессы релаксационой поляризации дебаевского и квазидебаевского типа в диэлектриках

На правах рукописи

Ковригина Софья Александровна

ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИОНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕБАЕВСКОГО

И КВАЗИДЕБАЕВСКОГО ТИПА

В ДИЭЛЕКТРИКАХ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону

2008

Работа выполнена в отделе физики полупроводников Научно-исследовательского института физики и на кафедре общей физики Южного федерального университета при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-02-90568_ННС «Сравнительное исследование размытых фазовых переходов в свинецсодержащих релаксорах и бессвинцовых, безвредных для окружающей среды, твердых растворах на основе антисегнетоэлектриков» и № 08-02-92006_ННС «Синтез, исследование и теоретическое прогнозирование свойств экологически безопасных мультифункциональных сегнетоэлектрических материалов типа (AA')(BB')O3 (A, A' = Na, K, Li, Bi, Ba, Sr; B, B' = Nb, Ta, Sb, Fe, Ti))».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Раевский Игорь Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Турик Анатолий Васильевич

кандидат физико-математических наук,

доцент

Максимов Станислав Михайлович

Ведущая организация: Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, г. Москва

Защита диссертации состоится «17» октября 2008 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.05 (физико-математические науки) по специальности 01.04.07 - «физика конденсированного состояния» при Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, НИИ физики ЮФУ.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке ЮФУ (344009, Ростов – на – Дону, ул. Пушкинская, 148).

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью, просим присылать по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, НИИФ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.05.

Автореферат разослан « 12 » сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.05,

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Г.А. Гегузина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Непрерывные возрастания требований к современным устройствам твердотельной электроники делают актуальной проблему разработки и получения материалов, обладающих уникальными физическими свойствами, такими как гигантская диэлектрическая проницаемость и гигантская электропроводимость в переменных электрических полях, возможность управлять свойствами элемента, изменяя частоту поля. В этом плане на первое место выходят возможности использования процессов релаксационных поляризаций, в том числе связанных с гетерогенностью по свойствам компонентов или фаз. Это, в свою очередь, требует получения информации о процессах релаксационной поляризации, за счет которых и возникают описанные физические свойства диэлектриков.

Фундаментальный интерес обусловлен отсутствием, несмотря на почти 150-летнюю историю исследования процессов релаксационной поляризации, достаточной ясности в поведении характеристик этой поляризации в условиях высокой электропроводимости и отсутствием информации о возможностях определения параметров релаксационной поляризации при отсутствии полной информации об ее поведении во всем частотном диапазоне развития релаксационных процессов. Прикладной интерес обусловлен тем, что релаксационная поляризация может быть использована для создания различных устройств с перестраиваемой емкостью и электропроводимостью, для увеличения чувствительности твердотельных элементов к внешним воздействиям, управления температурными характеристиками твердотельных элементов изменением частоты электрического воздействия.

Цель работы.

Главной целью работы явилось исследование процессов релаксационной поляризации дебаевского и квазидебаевского типа в материалах с высокой сквозной электропроводимостью.

Работа призвана сыграть роль связующего звена между возможностью определения параметров процессов релаксационной поляризации и использованием этих процессов для создания элементов твердотельной электроники.

Задачи исследования.

При выполнении работы были решены следующие задачи:

1. Решена обратная задача определения параметров процессов релаксационной поляризации по исследованию частотного поведения действительной и (или) мнимой частей диэлектрической проницаемости при развитии в диэлектрике релаксационной поляризации дебаевского или квазидебаевского типа, в том числе, - при наличии высокой электропроводимости.
2. Определены наиболее удобные для экспериментальных исследований в условиях высокой электропроводимости параметры процессов релаксационной поляризации.
3. Исследованы процессы релаксационной поляризации в монокристаллах и керамиках тройных железосодержащих перовскитов, характеризующихся значительной сквозной электропроводимостью.
4. Найдены новые области практического использования процессов релаксационной поляризации.

Объекты исследования.

1. Керамические образцы тройных перовскитов типа A(Fe0.5B'0.5)O3 (A = Ba, Sr, Са,Pb; B'= Nb, Ta, Sb);
2. Керамические образцы позисторной керамики на основе BatiO3.
3. Монокристаллы Pb(Fe0.5Ta 0.5)O3.

Научная новизна.

В ходе выполнения диссертационной работы впервые:

1 – решена обратная задача определения параметров процессов релаксационной поляризации по действительным и (или) мнимым частям диэлектрической проницаемости диэлектрика, на основе чего уточнены параметры процессов релаксационной поляризации;

2 – определены значения сквозной электропроводимости диэлектрика, при которых исчезают экстремумы в частотных зависимостях мнимой части диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь; определены условия, при которых максимумы в частотных зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь не исчезают при больших значениях электропроводимости;

3 – определены соотношения электрических параметров компонентов гетерогенных диэлектриков, необходимые для гигантского роста диэлектрической проницаемости и электропроводимости в этих материалах;

4 - показано, что высокие значения диэлектрической проницаемости и особенности ее температурной зависимости у керамик как моноклинной, так и кубической перовскитных модификаций Ba(Fe0.5Nb0.5)O3 связаны с развитием в этих керамиках релаксационных поляризаций, а не наличием сегнетоэлектрических релаксорных свойств, как предполагалось ранее.

Практическая значимость работы.

На основе установленных закономерностей развития процессов

релаксационной поляризации предложены способы увеличения чувствительности резистивных и емкостных датчиков внешних воздействий, а также изменения знака и величины температурного коэффициента сопротивления диэлектрического элемента в процессе его работы за счет изменения частоты измерительного поля.

Обоснованы методы определения характеристик процессов релаксационной поляризации в диэлектриках с высокой сквозной электропроводимостью.

Полученные в работе новые результаты и закономерности могут быть использованы для создания материалов с гигантскими диэлектрическими проницаемостями и электропроводимостями, повышения чувствительности датчиков внешних воздействий и создания резистивных датчиков с перестраиваемыми температурными коэффициентами сопротивления.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. В диэлектрике с дебаевской релаксационной поляризацией экстремумы в частотных зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь сохраняются при больших величинах сквозной электропроводимости, чем экстремумы в частотных зависимостях мнимых частей диэлектрической проницаемости.
2. Установлено, что если вклад дебаевского процесса релаксационной поляризации в действительную часть диэлектрической проницаемости диэлектрика более чем в 8 раз превышает вклад высокочастотных процессов поляризации, то при большой сквозной электропроводимсти экстремумы в частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь не исчезают. Это обстоятельство позволяет разделить процессы релаксационной поляризации по возможности их наблюдения в условиях высокой сквозной электропроводимости на «сильные» и «слабые».
3. В частотных зависимостях мнимой части комплексной электропроводимости диэлектрика с «сильными» процессами дебаевской релаксационной поляризации имеются экстремумы (минимум и максимум), по которым можно обнаруживать развитие релаксационной поляризации и определять энергию активации этого процесса.
4. Как величиной, так и знаком температурного коэффициента сопротивления диэлектрика, в котором имеет место релаксационная поляризация, можно управлять, изменяя частоту электрического поля.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XV (Ростов-на-Дону, 1999), XVI (Тверь, 2002), XVII (Пенза, 2005), XVIII (С.-Петербург, 2008) Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков, V, VII и IХ Международных симпозиумах "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" (ОDРО) (Сочи 2002, 2004, 2006); 7 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2001), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC) (Москва, 2005); Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005); Международной научно-практической школе-конференции «Молодые ученые -2005» (Москва, 2005), Международном симпозиуме «Микро- и наномасштабные доменные структуры в сегнетоэлектриках» (Екатеринбург, 2005); 9 Российско-СНГ-балтийско-японском международном симпозиуме по сегнетоэлектрикам (RCBJSF-9) (Вильнюс, 2008), 9 и 11 Международных конференциях «Физика диэлектриков» (С.-Петербург, 2000, 2008)

Публикации. Основные результаты диссертации полностью отражены в 35 печатных работах, из которых 8 опубликованы в реферируемых журналах «Physical Review B», «Ferroelectrics», «Integrated Ferroelectrics», «Известия РАН, серия физическая», «Письма в Журнал технической физики», остальные - в сборниках трудов и тезисов докладов всероссийских, международных и других конференций.

Личный вклад автора в разработку проблемы.

Выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились автором совместно с научным руководителем.

Диссертантом самостоятельно получены керамические образцы некоторых исследовавшихся в работе соединений, выполнена большая часть диэлектрических измерений и измерений электропроводимости, составлены компьютерные программы, проведены расчеты, обработаны полученные результаты. Исследования, описанные в разделе 3.1, проведены при участии аспиранта Лисицы И.В.

Соавторы совместных публикаций принимали участие в приготовлении объектов исследования, проведении ряда измерений и обсуждении результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем составляет 200 страниц, включая 106 рисунков, 5 таблиц. Список цитированной литературы содержит 176 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, представлены основные научные положения, выносимые на защиту, описаны апробация результатов работы и личный вклад автора.

В первой главе дан обзор развития представлений о релаксационных процессах в диэлектриках. Рассмотрены основные модели и методы исследования релаксационных процессов.

Кратко описаны основные особенности свойств сегнетоэлектриков-релаксоров, а также позисторный эффект, наблюдаемый в полупроводниковых сегнетокерамиках.

Во второй главе описаны получение керамических образцов и выращивание кристаллов, а также методы их исследования. Синтез A(Fe0.5B0.5)O3 (A=Ba,Sr,Са,Pb; B'=Nb,Ta,Sb) осуществлялся методом твердофазных реакций. Спекание керамических образцов производилось обжигом без давления. Монокристаллы Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 были получены методом массовой кристаллизации из раствора в расплаве. После шлифовки на диэлектрические керамические образцы серебряные электроды методом вжигания пасты. На керамические образцы с высокой проводимостью наносились омические электроды из сплава In-Ga или алюминия. На монокристаллы наносились электроды из аквадага. Диэлектрические измерения проводились с помощью R,L,C- измерителей Е12-1А, Е7-20 и Р5083 в частотном диапазоне 0,03 кГц - 1МГц.

В третьей главе проводится анализ способов описания процессов релаксационной поляризации в диэлектриках и возможностей использования этих способов в условиях развития в диэлектриках большой сквозной электропроводимости.

Известно, что наличие сквозной электропроводимости в диэлектрике меняет частотные зависимости и . С увеличением сквозной электропроводимости относительные высоты максимумов уменьшаются, а сами они смещаются в сторону меньших частот. В работе установлено, что при удельной сквозной электропроводимости , где исчезают максимумы в зависимостях , а при - в зависимостях . Это означает, что исчезновение максимумов в зависимостях происходит всегда при больших , чем исчезновение максимумов в . Различие между и тем больше, чем сильнее выражена релаксационная поляризация в веществе. Возрастание различия между и резко усиливается при В случае, когда экстремумы в не исчезают ни при каких значениях . На основании полученных результатов предложено по влиянию сквозной электропроводимости на разделять процессы дебаевской релаксационной поляризации на «сильные» () и «слабые» ().

Наряду с и описывать релаксационную поляризацию можно с помощью комплексной удельной электропроводимости . В литературе описано частотное поведение только [1]. В работе показано, что при развитии в диэлектрике дебаевских процессов релаксационной поляризации выражение для приобретает вид и в частотных зависимостях имеется два экстремума (максимум и минимум). Установлено, что такое частотное поведение имеет место только для «сильных» релаксационных процессов. При имеет место лишь увеличение с ростом . В температурных зависимостях экстремумы при любых соотношениях между и отсутствуют.

Методика определения энергии активации процессов релаксационной поляризации в условиях развития в диэлектрике сквозной электропроводимости требует специального рассмотрения. Нам не удалось найти работ, в которых обсуждался бы этот вопрос. На практике, даже при большой сквозной электропроводимости, энергия активации, без какого-либо обоснования, определяется по методам, справедливым для диэлектриков без сквозной проводимости, т.е. из наклона прямых в зависимостях , где - частота, соответствующая максимумам в зависимостях и . Как показано в этом разделе работы, так действительно поступать можно. Установлено, что определять энергию активации процесса релаксационной поляризации можно по наклонам прямых в зависимостях (координаты Аррениуса), где - частоты минимумов или максимумов в частотных зависимостях , , , а также по наклонам прямых в зависимостях , где - температура минимумов или максимумов в температурных зависимостях или .

Для исследования процессов релаксационной поляризации широко используется метод импедансной спектроскопии: в соответствие объекту исследования ставится эквивалентная электрическая схема [2]. Подбор схемы осуществляется в результате исследования частотного поведения отклика объекта на наложение гармонического электрического сигнала частоты .

Простейшая эквивалентная электрическая схема, которая может быть поставлена в соответствие образцу диэлектрика с развивающимся процессом релаксационной поляризации, имеет вид, приведенный на рис. 1а.

а	б
Рис.1. Эквивалентные электрические схемы диэлектрика