Способ определения температуры структурных переходов в сегнетоэлектрических материалах

 

Использование: техника исследования структуры и свойств сегнетоэлектрических материалов. Сущность изобретения: при нагревании и охлаждении консольно закрепленного нитевидного кристалла определяют величину прогиба кристалла. По тангенсу угла наклона кривой зависимости прогиба от температуры находят скорость изгибной термодеформации, строят графическую зависимость этой скорости от температуры и по пикам на графике определяют температуру структурного перехода. 2 ил.

Изобретение относится к технике исследования структуры и свойств сегнетоэлектрических материалов при различных температурах.

Известен способ определения температур структурных переходов, основанный на исследовании при помощи RLC-схемы поведения диэлектрической постоянной в зависимости от температуры [1] .

Однако этот способ практически неприемлем при работе с монокристаллическими микрообразцами, так как возникают сложности, связанные с нанесением омических контактов или использованием достаточно тонкой и дорогостоящей аппаратуры.

Наиболее близким техническим решением является способ определения температуры структурных переходов в сегнетоэлектрических материалах, использующий схему Сойера-Тауэра для получения изображения петли диэлектрического гистерезиса на экране осциллографа [2] .

При работе со схемой Сойера-Тауэра наиболее удобно использовать монокристаллические образцы в виде пластинок, спонтанная поляризация в которых направлена по толщине. На главные грани пластинок напыляются электроды. Приклады- ваемое переменное напряжение должно быть достаточно велико для переполяризации кристалла.

При работе с образцами малых размеров, например, нитевидными кристаллами использование данного способа приводит к очень большим сложностям. Даже если удастся напылить электроды, то малость их площади потребует очень тонкой измери- тельной аппаратуры.

Целью изобретения является упрощение и удешевление способа определения температуры структурных переходов в сегнетоэлектрических нитевидных кристаллах.

Способ осуществляется следующим образом. Нитевидный кристалл, консольно закрепленный на держателе, помещают в вакуумную камеру и осуществляют равномерный по его толщине нагрев, а затем охлаждение. Термоизгибная деформация исследуется при помощи микроскопа и выражается в единицах отклонения свободного конца нитевидного кристалла от первоначального положения. При небольших углах отклонения кривизна нитевидного кристалла не учитывается. Скорость нагрева и охлаждения образца выбирается небольшой в температурных областях, содержащих предполагаемую точку структурного перехода, чтобы осуществить квазистатичность процесса. Основными объектами исследования в данном изобретении были выбраны нитевидные кристаллы нитрата калия, которые были выращены из водного раствора медленной диффузией через полунепроницаемую коллоксилиновую мембрану при комнатной температуре. Размеры полученных образцов составляли: длина 3-5 мм, ширина 0,05-0,1 мм, толщина не более 0,03 мм.

Предлагаемый способ был опробован на нитратах NH₄NO₃, Ba(NO₃)₂, а также на нитевидных кристаллах азида свинца.

Нитевидный кристалл нитрата калия сначала постепенно нагревают от комнатной температуры до 115^оС. Температура структурного перехода KNO₃из фазы II в фазу I - порядка 130^оС. Следовательно, от 115 до 140^оС образец нагревают медленно, со скоростью 1^о/мин, и окончательно с большой скоростью от 140^о до 180^оС. Нагрев до 180^оС обусловлен спецификой свойств нитрата калия.

Известно, что метастабильная фаза III, возникающая при охлаждении, имеет место только при нагреве кристалла до температуры ≥180^оС. Процесс охлаждения осуществляется аналогично. Образец постепенно охлаждают до 130^оС (а не 140^оС), так как обратный переход из фазы I имеет место при более низкой температуре (температурный гистерезис), затем охлаждение осуществляют с минимальной скоростью 0,5^о/мин до 100^оС.

На фиг. 1 приведена графическая зависимость скорости термодинамической деформации нитевидного кристалла нитрата калия от температуры при нагреве образца; на фиг. 2 приведена графическая зависимость скорости термодинамической деформации нитевидного кристалла нитрата калия от температуры при охлаждении образца.

Величина деформации αв единицах отклонения свободного конца консольно закрепленного нитевидного кристалла от положения равновесия измеряется по шкале микроскопа. В качестве "индикатора" наличия структурного перехода берется скорость деформации как функция температуры dα/dt, которая более чувствительна к структурным изменениям, чем сама деформация. Скорость деформации определяется как тангенс угла наклона кривой зависимости термоизгибной деформации кристалла от температуры.

Из графиков на фиг. 1,2 видно, что при нагреве скорость термоизгибной деформации имеет ярко выраженный максимум при температуре 132^оС. При охлаждении скорость деформации испытывает скачки в точках t₁= 123-124^оС и t₂ = 110-107^оС, которые определяют область существования фазы III. В соответствии с информацией, имеющейся в литературе для KNO₃, переходу II_→I соответствует температура≈130^оС. при охлаждении структурные переходы I_→III и III_→II имеют место при t₁ = 123,6^оС и t₂ = 107^оС соответственно.

Таким образом, результаты, полученные данным способом для нитрата калия хорошо согласуются с уже имеющимися.

Способ применим ко всем сегнетоэлектрическим нитратам, а также был проверен на нитевидном кристалле азида свинца.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ, включающий нагрев и охлаждение исследуемого образца, отличающийся тем, что в качестве образца используют нитевидный кристалл, закрепленный консольно, причем при нагревании и охлаждении образца определяют величину его прогиба и по тангенсу угла наклона кривой зависимости прогиба от температуры находят скорость изгибной термодеформации, строят графическую зависимость этой скорости от температуры и по пикам на графике определяют температуру структурного перехода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2