Введение к работе
з
Актуальность темы.
Сегнетоэлектрические кристаллы играют заметную роль в науке и технике. Одним из так называемых «модельных» кристаллов является триглицинсульфат (ТГС, химическая формула (NH2CH2COOH)3.-H2S04), свойства которого хорошо изучены, и который, кроме того, обладает уникальной практически важной пи-рочувствительностью. Актуальной задачей физики сегнетоэлектричества по-прежнему остается управление их характеристиками или получение кристаллов с заданными свойствами. Факторами, которые позволяют модифицировать свойства материала, очевидно, являются введение примесей или дефектов при различных воздействиях, в том числе в процессе роста кристалла. Известно, что на свойства сегнетоэлектрического триглицинсульфата ТГС большое влияние оказывают различного рода примеси, всегда имеющиеся даже в номинально "чистом" кристалле. В литературе отмечается важная роль диапазона температур, в котором выращивается кристалл. Кристаллы триглицинсульфата являются водорастворимыми и их свойства в значительной степени определяются водородными связями. Состояние водородных связей в кристаллах ТГС можно изменять за счет условий их роста, например, изменяя температуру раствора. Традиционно указанные кристаллы выращивают при комнатной и при более высоких температурах. В то же время особый интерес представляет зарождение и рост кристаллов при температурах, близких к точке эвтектики (О С -^ -7 С) раствора "триглицинсульфат - вода", при которых водородные связи в воде и водных растворах могут претерпевать существенные изменения. Выращиванию кристалла ТГС при отрицательных температурах вблизи точки эвтектики, исследованию свойств «низкотемпературного» кристалла ТГС и посвящена настоящая работа.
Тема диссертационной работы поддержана грантом VZ-010 «Волновые процессы в нелинейных и неоднородных средах» по совместной программе Американского фонда гражданских исследований и развития и Минобрнауки «Фундаментальные исследования и высшее образование» (2002-2006),
Целью настоящей работы было исследование электрических свойств кристаллов триглицинсульфата, выращенных при температурах ниже 0 С, а также стабильность этих свойств во времени и от внешних воздействия темпе-
4 ратуры и электрических полей. В соответствии с поставленной целью были
сформулированы следующие основные задачи:
Выращивание кристаллов триглицинсульфата при температурах ниже 0С.
Анализ температурной зависимости диэлектрической проницаемости полученных кристаллов для определения точки Кюри и типа фазового перехода. Исследование основных диэлектрических параметров характерных для сегнетоэлектриков.
Изучение доменной структуры кристаллов триглицинсульфата, выращенных при температурах ниже О С, и определение степени монодо-менности.
Исследование релаксации электрических свойств кристаллов в зависимости от времени хранения при нормальных условиях.
Анализ влияния внешних воздействий - температуры и электрического поля на доменную структуру и электрические свойства низкотемпературных кристаллов триглицинсульфата.
Исследование термостимулированной электронной эмиссии с поверхности низкотемпературных кристаллов.
Объект и методики исследования. Объектом исследования являлись кристаллы триглицинсульфата, выращенные при температурах ниже О С, образцы для исследований были получены путем скола по плоскости спаянности, для электрических измерений на образцы наносились электроды напылением серебра в вакууме. Исследования диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь проводились цифровым измерителем импеданса LCR83. Измерения частотных зависимостей диэлектрической проницаемости проводились по стандартной схеме с помощью цифрового мультиметра-генератора MS 1932. Петли диэлектрического гистерезиса наблюдались и обрабатывались на цифровом осциллографе OSC486. Эмиссионные исследования проводились по стандартной методике в вакууме порядка 10 ~ мм. рт. ст. В качестве детектора эмиссии электронов использовался вторичный электронный умножитель ВЭУ-6.
Данные всех исследований обрабатывались в реальном времени на ЭВМ с помощью согласующих интерфейсов. Наблюдение и анализ доменной стуркту-
5 ры кристаллов проводился с помощью металлографического микроскопа и зон-
дового микроскопа Femtoscan-001 -Online.
Научная новизна. Все основные результаты данной работы являются новыми. В рамках данного исследования
проведено всесторонне исследование электрических свойств кристаллов низкотемпературного триглицинсульфата, определен характер фазового перехода.
по сравнению с обычным ТГС в низкотемпературном триглицинсульфате обнаружены сдвиг точки Кюри в область высоких температур, наличие внутреннего смещающего поля и высокие значения пироэлектрического коэффициента;
исследована релаксация электрических свойств низкотемпературного триглицинсульфата; обнаружена зависимость основных свойств от времени хранения;
исследованы внешние воздействия на доменную структуру и электрические свойства низкотемпературных кристаллов триглицинсульфата; выявлена стабильность основных характеристик эффективной нелинейности при изменении частоты внешнего поля;
исследована термостимулированная электронная эмиссия с поверхности кристаллов низкотемпературных кристаллов.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов для оптимизации технологии изготовления и улучшения основных рабочих характеристик устройств пиродатчиков, использующих в качестве чувствительного элемента ТГС, а также для оптимизации технологии выращивания номинально чистых кристаллов триглицинсульфата с заданными свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Диэлектрические свойства номинально чистых низкотемпературных кристаллов ТГС аналогичны свойствам кристалла ТГС со специально введенными дефектами.
Для низкотемпературных кристаллов ТГС, по сравнению с кристаллами выращенными при обычных температурах, обнаружено смещение темпе-
6 ратуры Кюри в сторону высоких температур на 0,5-^0,7 К, наличие внутреннего поля смещения, появление минимума на зависимости єея(Е~).
В противоположность с обычным кристаллом ТГС увеличение частоты измерительного поля практически не меняет диэлектрическую восприимчивость, что может быть связано с полевым отжигом дефектов.
Высокие и стабильные значения пироэлектрического коэффициента, большая величина коэрцитивного поля, зависимость поляризации от амплитуды измерительного поля указывают на жесткость доменной структуры для кристаллов ТГС, выращенных ниже 0 С.
Эмиссионные свойства низкотемпературных кристаллов (меньший общий уровень эмиссии, интервал затягивания эмиссии в парафазу) характерны для кристаллов с повышенным содержанием дефектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 10-ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (Кэм-бридж, Великобритания, 2003); 4-ой Европейской рабочей школе по пьезоэлектрическим материалам (Монпелье, Франция, 2004); 11-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Бразилия /Аргентина, 2005), XVII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005), 4-м Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 2003); 1-ой, 2-ой и 4-ой Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003, 2004, 2006), XV-ом Международном Совещании «Рентгенография и Кристаллохимия Минералов», Санкт-Петербург, 2004.
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор метода и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Сидоркиным А.С.
По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 4 статьи в реферируемых изданиях, сделано 6 докладов на международных и российских научно-
7 технических конференциях, симпозиумах, семинарах.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 107 наименований. Работа содержит 104 страницы машинописного текста, 32 рисунков, 7 таблиц.
