Способ определения концентрации точечных дефектов с известным зарядом в сегнетоэлектрических кристаллах

 

Использование: физико-химический анализ твердых тел„ Сущность изобретения: измеряют зависимость тангенса угла низкочастотных диэлектрических потерь от амплитуды измерительного электрического поля, находят на кривой пороговое электрическое поле и определяют искомую величину по значению порогового.поля и термодинамическим параметрам сегНетоэлектрика 2 ил0

(5()5 г, 01 N 27/24

М ПАТЕНТУ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4063550/25 (22) 01..06.90 (46) 23.01.93. Бюл..Н 3 (71) Научно-производственное объеди- нение "Энергия" и Воронежский политехнический институт (72) С,А,Гриднев, В.И.Попов и Л.А.Шувалов (73) Воронежский политехнический институт (56) Пешиков Е.В. Радиационные эффекты в сегнетоэлектриках. Ташкент: фан, 1986, с. 135. . Поплавко 10.М. Физика диэлектриков. - Киев: Вища школа, 1980, с. 213-243.

Изобретение относится к Физикохимическому анализу твердых тел и может быть использовано для определения количества точечных дефектов кристаллической структуры в реальных сегнетоэлектрических кристаллах (СЭ) .

Дефекты кристаллической решетки дают существенный, а во многих случаях и опред»еляющий вклад в важнейшие свойства СЭ, поэтому значение их концентрации в кристалле весьма важно для прогнозирования и оценки возможностей применения СЭ.

Известен способ рентгеновского анализа, с помощью которого можно определить концентрацию точечных деФектов в кристаллических твердых телах, Однако этот метод довольно сложен, обладает большой трудоемкостью, „„5U„„1790762 А3

{54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ С ИЗВЕСТНЫМ ЗАРЯДОМ

В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ (57) Использование: физико-химический анализ твердых тел. Сущность изобретения: измеряют зависимость тангенса угла низкочастотных диэлек» трических потерь от амплитуды измерительного электрического поля, находят на кривой пороговое электрическое поле и определяют искомую величину по значению порогового поля и термодинамическим параметрам сегнетоэлектрика. 2 ил. требует прииенения дорогостоящей ап=: паратуры и высококвалйфицированного . обслуживающего персонала . Кроме того,. за время проведения эксперимента даже при небольших дозах облуче» ния в кристалле возникают структур- : ные повреждения .и появляются радиа- . ционные дефекты, что сильна понижает точность определения исходной кон- 0 центрации дефектов в кристалле. M

Наиболее близким к изобретению :,фЬ техническим решением является способ определения, концентрации точечных дефектов р., заклрчающийся в измерении, тангенса угла диэлектрических потерь

tg3, обусловленных сквозной проводи- мостью образца, а также диэлектри,ческой проницаемости Е, подвижности носителей заряда р, заряда точечного

1790762 дефекта q и определении расчетным путем искомой величины по формуле

tg3(D E п (1) Я с <

Однак этот способ определения концентрации точечных дефектов весьма сложен и трудоемок, так как кроме измерения tg о он требует измерения ,большого количества других параметров образца и, в частности, подвижности носителей заряда, что само по себе представляет сложную задачу.

Недостатком способа является также низкая точность определения концентрации дефектов, поскольку суммируются ошибки всех входящих в расчетную формулу величин и, кроме того, подвижность носителей заряда определяют 2р обычно лишь по порядку величины; например, при использовании эффекта

Холла можно определить холловскую подвижность, которая отличается от истинной подвижности в 1,5-2 раза 25 и зависит от механизма рассеяния заряда на несовершенствах кристаллической:решетки, различного при различных температурах. Область применимости: способа ограничена теми случаями, 3() когда диэлектрические потери обусловлены сквозной проводимостью образца;

Целью изобретения является упрощение способа определения концентрации точечных дефектов в сегнетоэлектриках и повышение точности опрелеления искомой величины.

Поставленная цель достигается тем, что на образец сегнетоэлектрика на- що носят металлические электроды перпендикулярно сегнетоэлектрической оси кристалла, образец выдерживают при температуре, превышающей температуру Кюри (Тк) не менее чем на

5 К, в течение 0,5-1 ч, затем охлаждают до температуры на 2-3 К ниже Т1 со скоростью не более 1 К в минуту, измеряют E u tg R в зависимости от амплитуды измерительного электрического поля (Е ), из полученной зависимости определяют пороговое поле (Е„) и рассчитывают концентрацию точечных дефектов по формуле

84 и еп / E3

n = 7 (2)

q2. 1 м р где q — заряд дефекта; 6 - первый, p — второй коэффициенты в разложении термодинамического потенциала по четным степеням поляризации; ) - корреляционная постоянная.

Прерлагаемый способ основан на использовании различного характера движения сегнетоэлектрических доменных границ, взаимодействующих с точечными дефектами кристаллической решетки, в электрических полях различной амплитуды„ В слабых полях, меньших, чем пороговое поле F происходит малое упругое смещение доменных границ относительно закрепленных точечных дефектов, т.е. их небольшой прогиб между ближайшими точками закрепления. В этом случае наблюдается слабая зависимость tg8 от амплитуды электрического поля. В полях, больших, чем Ец, отдельные изогнутые участки доменных границ отрываются от закрепляющих точечных дефектов, затем начинается лавинообразное увеличение их длины до полного отрыва доменной границы от точечных дефектов. В результате следует необратимое смещение доменной границы на большие расстояния. Это приводит к резкому экспоненциальному росту tg 8 с увеличением амплитуды поля. Величина

Е сильно зависит от концентрации точечных дефектов, что положено в основу настоящего изобретения.

На фиг.1 представлены зависимости tg3 от амплитуды Е,„ на частоте

1 кГц при температуре 319 К для образцов сегнетоэлектрика триглицинсульфата: номинально чистого (кривая 1), облученного дозой рентгеновского излучения 0,08 крд (кривая

2) и дозой рентгеновского излучения

1,8 крд (кривая 3), а также с добавкой ионов хрома, вводимых в раствор при выращивании кристалла (кривая 4 с концентрацией Cr - 2 х х 10 см ; на фиг,2 зависимости tg 8 (Е„) аппроксимированы экспоненциальной функцией: номинально чистый кристалл (кривая 1), облученный дозой 0,0Р> крд (кривая 2), облученный дозой 1,8 крд (кривая 3), кристалл с добавкой хрома (кривая 4), Пример, На плоскопараллельный образец сегнетоэлектрического кристалла ТГГ с примесью ионов хрома

Cr перпендикулярно сегнетоэлектри$+ ческой оси методом вакуумного напыления н несены серебряные электролы„ После отжига образца в течение 1 ч при температуре 373 К и охлаждении его со скоростью 1 К в минуту до температуры 319 К (на 3 К нйже Тк), при этой температуре на частоте 1 кГц с помощью моста Р571 (проведены измерения зависимостей с. и tp 6 от амплитуды измерительного поля.

Величина порогового поля E найдена как точка пересечения прямых в координатах 1n tg S (Е ) на фиг.2, После порстановки в формулу рля определения концентрации дефектов

Е „ и известных из литературы значений q = 4,8 -10 ер,.СГИБЕ, К

= 39-!0 гра ., = P. 10 о ед., ССЯЕ, E, = =5,7, (= 10 см получено значение n = 10 GM что хорошо совпарает с истинным значением концентрации примеси Cr в кристалле, так как концентрация при-. меси в кристалле всегда бывает ниже, чем в растворе (2-10"7см ), из которого выращен кристалл.

Способ является более простым и менее труроемким по сравнению с прототипом, так как в нем из эксперимента определяется только одна величина - пороговое поле.

Способ повышает точность опререления концентрации точечных рефектов, поскольку погрешности определения всех входящих в расчетную формулу величин не превышает 203, а погрешность опререления только порвижности носителей заряра, используемой в прототипе, составляет 150200 .

790762 б формула и зобретения.

Способ опререления концентрации точечных дефектов с известным зарядом в сегнетоэлектрических кристаллах, заключающийся в нанесении на образец металлических электроров и одновременном измерении тангенса угла диэлектрических потерь tg У и диэлектрической проницаемости Я образца, по значениям которых судят о концентрации рефектов, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повы15 шения точности, металлические электроры наносят перпендикулярно к сегнетоэлектрической оси кристалла, образец выдерживают при температуре, превышающей температуру Кюри не ме20 нее чем на 5 К, в течение 0,5-1 ч, затем охлажрают ро температуры на

2-3 К ниже температуры Кюри со скоростью не более 1 К/мин, порают на электроды переменное измерительное

25 напряжение и измеряют тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическую проницаемость в зависимости от амплитуры измерительного электриI ческого поля Е„„ из полученной зави30 симости. определяют пороговое поле

Е„ и рассчитывают концентрацию и точечных рефектов по формуле

8 1! Еа, Х

35 "=:р где - заряр дефекта, Ф.- первый, р - второй коэффициенты в разложе40 нии терморинамического потенциала по четным степеням поляризации, Ъ - корреляционная постоянная.

1790762

«Мв.1.

О

С

E.- Фиу.3

Составйтель

Рерактор Г.Вельская те)сред И.И6ргентэл Корректор И.Петроова

° йавйввев4вйвйеавйоееывaåàâéåâéâàâàâàéþîåþåâåéаей фаюеамФеев4вае1веаыйавйвввееавммевавеемваееввевевмееавюеевее.

l б

ЗакаЭ 1196 Тираж :. : Подписное

"8ЙЙИПИ 1 осударственрогь комитета.по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1130)5, Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5 вййвi åâàейй4еаеаеавмвваеМевеевевв4йаеюйвеЮМаеЮаййеЕайййМвайюеВЕвюаМЮеаЮювевВЕаЕеевааеаюаю Евв

Проиевофственно-издательский комбинат патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101