Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7 Пироэлектрический эффект в твердых растворах на основе магнониобата свинца й Е.П. Смирнова, С.Е. Александров, К.А. Сотников, А.А. Капралов, А.В. Сотников Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 27 декабря 2002 г.) Проведены комплексные исследования диэлектрических, электрострикционных и пироэлектрических свойств керамических твердых растворов на основе магнониобата свинца 0.9PbMg1/3Nb2/3O3Ц0.1PbTiO3 и 0.55PbMg1/3Nb2/3O3Ц0.45PbSc1/2Nb1/2O3 при температурах релаксорного перехода. Рассмотрены основные механизмы, вносящие вклад в индуцированный электрическим полем пироэффект в релаксорах. Показано, что существенную роль в пироэффекте играет электромеханическое взаимодействие, обусловленное эффектом гигантской электрострикции.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16389-a), программы ДФизика твердотельных наноструктурУ, а также Программы поддержки ведущих научных школ (грант № 00-15-96754).

Сегнетоэлектрики-релаксоры, обладающие уникаль- и 0.55PbMg1/3Nb2/3O3Ц0.45PbSc1/2Nb1/2O3 (PMNЦPSN), ным сочетанием физических свойств (широкие области которые являются типичными релаксорами (см., напритемпературных аномалий, большая величина диэлектри- мер [12Ц14]).

ческой проницаемости при сильной дисперсии в частотном диапазоне от миллигерц до гигагерц, высокая 1. Методика эксперимента чувствительность к внешним воздействиям), привлекают внимание исследователей на протяжении нескольких Керамические диски PMNЦPT и PMNЦPSN были десятилетий [1Ц4].

изготовлены по обычной технологии путем реакции Приложение постоянного электрического поля при в твердой фазе. В качестве исходных реактивов испольтемпературах перехoда приводит к появлению выдезовались оксид свинца PbO, карбонат магния MgCO3, ленного направления с преимущественной ориентацией пятиокись ниобия Nb2O5 и оксид скандия Sc2O3. Синпо полю полярных кластеров, которые, согласно совретез твердых растворов проводился в две стадии с исменным представлениям, могут также индуцироваться пользованием промежуточных соединений колумбита полем. Эффекты, возникающие при воздействии внешMgNb2O6 (PMN-PT), колумбита и вольфрамита ScNbOнего электрического поля, такие как индуцированный (PMNЦPSN), что препятствует образованию фазы пиросегнетоэлектрический переход, сильная диэлектрическая хлора с низкой диэлектрической проницаемостью [15].

нелинейность, гигантская электрострикция, достаточно Предварительный отжиг проводился при температуре хорошо изучены [2Ц8]. В основе всех этих эффектов 850C в течение 2 h, а спекание Ч при температуре лежат процессы, связанные с возникновением и измене1250C в парах оксида свинца. Полнота образования нием макроскопической поляризации. Индуцированная колумбита, вольфрамита и твердых растворов контролиэлектрическим полем поляризация зависит от темпераровалась методом рентгеноструктурного анализа с истуры, ее изменение проявляется и в виде пиротока [9,10].

пользованием CuK- и CoK-излучения. Полученная При этом важна не только величина приложенного керамика была однофазной, обладала структурой перовполя, но и температура, при которой поле приложено скита и плотностью 94Ц97% от теоретической. Кроме и снято, а также предыстория образца. В то же время того, рентгенодифракционные исследования не выявили индуцированный пироэффект и его связь с другими в исследованных составах наличия сверхструктуры, что эффектами в электрическом поле при одинаковых услосвидетельствует об их разупорядочении [16].

виях эксперимента практически не изучались. Основное Диэлектрические измерения были выполнены в диавнимание уделялось возможности практического примепазоне частот от 10 Hz до 1 MHz с помощью автоматинения пироэффекта в релаксорах [9Ц11].

ческих мостов Р 5079, Е7-12 и Е7-14, амплитуда измеЦелью данной работы является комплексное исслерительного поля составляла 1 V/cm. Измерения проводование диэлектрических, электрострикционных и пиродились в режиме медленного охлаждения с помощью электрических свойств релаксоров при одних и тех же термоэлектрических элементов Пельтье со скоростью режимах приложения внешнего электрического поля.

1 K/min в интервале температур 273Ц353 K. Зависимость В качестве объектов исследования были вы- диэлектрической проницаемости от внешнего постоянбраны твердые растворы на основе магнониоба- ного электрического поля исследовалась на частоте та свинца 0.9PbMg1/3Nb2/3O3Ц0.1PbTiO3 (PMNЦPT) 1 kHz с использованием стандартной схемы с раздели1246 Е.П. Смирнова, С.Е. Александров, К.А. Сотников, А.А. Капралов, А.В. Сотников тельным конденсатором, высоковольтным источником и 2. Экспериментальные результаты измерительным мостом. Образцы для диэлектрических и их обсуждение измерений представляли собой диски диаметром 8 mm и толщиной 0.5Ц1 mm с электродами из вожженного Температурные зависимости диэлектрической пронисеребра. цаемости продемонстрированы на примере твердого раствора PMNЦPSN (рис. 1). Высокие значения диИзмерения продольной электрострикционной дефорэлектрической проницаемости в максимумe (23 000 для мации проводились на гальваномагнитном дилатометPMNЦPSN и 34 000 для PMNЦPT на частоте 1 kHz) ре в квазистатическом режиме при температурах свидетельствовали о хорошем качестве керамики. По253Ц353 K. Точность измерения относительной деформалученные температурные зависимости диэлектрической ции составляла 10-6. Измеряемые образцы также имели проницаемости при разных смещающих электрических форму дисков диаметром 8 mm и толщиной 0.5Ц3mm полях (рис. 2) являются типичными для релаксоров и с вожженными серебряными электродами.

позволяют проследить сдвиг перехода в сторону боИндуцированный постоянным электрическим полем лее высоких температур при увеличении приложенного пироэлектрический отклик в синтезированных образполя, а также оценить диапазон температур и полей, цах изучался с помощью динамического метода Ч оптимальных для измерения пироэлектрических и элекметода модуляции интенсивности лазерного излучения трострикционных свойств.

(LIMM), который является модификацией метода Чайновиса [17,18]. При использовании этого метода регистрация пироэлектрического сигнала происходит на частоте модуляции излучения лазера. Это обстоятельство позволяет избавиться от недостатков, присущих другим методам, например методу БайераЦРонди [19].

При использовании последнего измеряемый сигнал может маскироваться токами утечки, возникающими в смещающем поле, термостимулированными токами и другими ДпаразитнымиУ сигналами, что приводит часто к получению некорректных результатов [20]. Суть применявшегося метода состоит в возбуждении тепловой волны за счет поглощения модулированного светового излучения верхним электродом образца. Из-за наличия пироэффекта изменение температуры образца приводит к возникновению осциллирующего на частоте модуляции пиротока, амплитуда и фаза которого измерялись Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости от темсинхронным дектором. В качестве источника излучения пературы для твердого раствора PMNЦPSN при различных использовался лазерный диод (длина волны 0.78 m, частотах измерительного поля.

мощность до 20 mW), частота модуляции составляла 1-4 Hz. Пироотклик исследовался в интервале температур от 273 до 353 K во внешних полях вплоть до 20 kV/cm. Изменение и стабилизация температуры образца осуществлялись с помощью элементов Пельтье.

Точность поддержания температуры составляла 0.1 K.

Глубина проникновения d тепловой волны определяется соотношением d =(K/ f )1/2, где K Ч коэффициент температуропроводности, f Ч частота модуляции света [21]. Толщина измеpяемых образцов выбиралась таким образом, чтобы соответствовать глубине проникновения тепловой волны на частоте 1Ц4 Hz. Измерение пиротока, так же как и электрострикционной деформации, проводилось при охлаждении образца со стабилизацией температуры в каждой точке измеpения. После каждого цикла измерений в электрическом поле образец прогревался до температуры 373 K, чтобы исключить влияние предыстории образца на измеряемые свойства.

Рис. 2. Температурные зависимости диэлектрической проВсе измерения проводились на механически свободных ницаемости, измеренной на частоте 1 kHz при различных образцах. смещающих полях для твердого раствора PMNЦPSN.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Пироэлектрический эффект в твердых растворах на основе магнониобата свинца рис. 5, 6 показаны зависимости пирокоэффициентов от величины приложенного электрического поля, измеренные при различных фиксированных температурах.

Как видно из рисунков, эти зависимости также демонстрируют аномальное поведение. Максимальные значения пирокоэффициентов керамик PMNЦPT и PMNЦPSN представлены в таблице, там же для сравнения даны пироэлектрические коэффициенты некоторых релаксоров, измеренные в работах [22Ц24] методом БайераЦРонди в образцах, подвергнутых предварительной поляризации.

В таблице приведены наиболее достоверные, на наш взгляд, величины, поскольку разброс значений пирокоэффициентов, измеренных этим методом, достигает одного порядка.

Рис. 3. Зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры при различных смещающих полях для твердого раствора PMNЦPT.

Рис. 5. Зависимость пироэлектрического коэффициента от величины приложенного поля при различных температурах в области релаксорного перехода для керамического твердого раствора PMNЦPT.

Рис. 4. Зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры при различных смещающих полях для твердого раствора PMNЦPSN.

Результаты измерения температурной зависимости пироэлектрического коэффициента в смещающем электрическом поле представлены на рис. 3 и 4. В отсутствие приложенного электрического поля во всем интервале измеряемых температур пиросигнал не наблюдался.

При напряженности электрического поля, превышающей 2 kV/cm, на температурных зависимостях пирокоэффициентов твердых растворов PMNЦPT и PMNЦPSN появляются максимумы, размытые по температуре. Положение максимумов зависит от величины приложенного Рис. 6. Зависимость пироэлектрического коэффициента от поля: при увеличении напряженности поля максимумы величины приложенного поля при температурах релаксорного сдвигаются в сторону более высоких температур. На перехода для керамики PMNЦPSN.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1248 Е.П. Смирнова, С.Е. Александров, К.А. Сотников, А.А. Капралов, А.В. Сотников Максимальные значения пироэлектрических коэффициентов Поскольку пьезоэффект является результатом ликерамик PMNЦPT и PMNЦPSN (приведены также пирокоэфнеаризации стрикции в электрическом поле, электрофициенты для других релаксоров) стрикционную деформацию можно формально описать с помощью эффективного пьезомодуля deff, зависящеp, ЛитературCостав го от поля, 10-4 C m-2 K-1 ная ссылка S = M(E)E2 deffE. (2) PMN-PT 38 Наст. раб.

PMN-PSN 58 Саму же деформацию можно рассматривать как ре0.93 PMN-0.07 PT 51 [22] зультат50 [23] eff фективного пьезомодуля d33 в лучших электрострикци0.95PSN-0.05 PT 53 [24] онных материалах достигает величины 10-9 m/V, что соответствует максимальным значениям пьезомодулей пьезокерамики и монокристаллов и указывает на важность учета вторичного пироэффекта при исследовании Модуляционный метод и схожие условия измерения релаксоров.

пиросвойств непосредственно в смещающем электрическом поле были использованы в работах [9,10]. Ос- На рис. 7 представлены полевые зависимости эффекeff цилляция температуры измеряемого образца в этих тивного пьезомодуля d33, рассчитанного из зависимости работах осуществлялась модуляцией излучения черного продольной электрострикционной деформации от поля, тела с последующей регистрацией сигнала на частоте и пирокоэффициента для твердого раствора PMNЦPSN.

модуляции. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимости Отметим, что полученные в работах [9,10] темпе- практически индентичны и имеют максимум при одном ратурные и полевые зависимости пирокоэффициентов и том же значении поля.

известного релаксора Ч частично упорядоченного скан- Рассмотрим роль электромеханического взаимодейдотанталата свинца Ч качественно совпадают с зави- ствия в индуцированном пироэффекте в релаксорах. Сосимостями, измеренными нами для керамик PMNЦPT и ответствующая часть термодинамического потенциала PMNЦPSN, величины коэффициентов также близки. для свободного образца имеет вид Как известно, сегнетоэлектрик при температурах ре = -(E2 + E4 +...) - ME2w, (3) лаксорного перехода, как всякая среда с центром инверсии, не обладает ни пьезоэффектом, ни пироэффекгде Ч восприимчивость, Ч нелинейная восприимтом. При приложении электрического поля индуциручивость, член ME2w = ME2cT определяет электроется поляризация, которая зависит от температуры и механический вклад в термодинамический потенциал, определяет, согласно существующим представлениям, так как w является компонентой механического напряпироотклик в релаксорах. В то же время в любой жения, соответствующего изменению температуры [26].

пьезоактивной среде существует не только первичный Здесь c Ч упругий модуль, Ч коэффициент теплопироэффект, связанный с зависимостью поляризации вого расширения, T Ч температура. Все коэффициенты ДзажатогоУ образца от температуры, но и вторичный термодинамического потенциала взяты при постоянном пироэффект при условии, что образец может свободно деформироваться [25,26]. Заметим еще раз, что это условие выполнялось при наших измерениях. При изменении температуры тепловое расширение образца приводит к деформации, которая за счет пьезоэффекта вносит дополнительный вклад в температурную зависимость поляризации. Наблюдаемый в релаксорах пироток, очевидно, в значительной мере определяется электромеханическими свойствами среды в смещающем электрическом поле, поскольку существует такой эффект, как гигантская электрострикция [6,7,27]. Поляризация, индуцированная электрическим полем, является причиной возникновения в области релаксорного перехода электрострикционной деформации S, пропорциональной квадрату поляризации P или (в первом приближении) квадрату поля E S = QP2 = ME2, (1) Рис. 7. Зависимости пироэлектрического коэффициента peff где Q Ч коэффициент электрострикции по поляризации, и эффективного пьезомодуля d33 от величины приложенного M Ч коэффициент электрострикции по полю. поля для керамики PMNЦPSN (T = 296 K).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Пироэлектрический эффект в твердых растворах на основе магнониобата свинца механическом напряжении, тензорные индексы для про- Список литературы стоты опущены.

[1] Г.А. Смоленский, В.А. Исупов, А.И. Аграновская, С.Н. ПоПоскольку в области релаксорного перехода не только пов. ФТТ 2, 2906 (1960).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам