Введение к работе
' .
Актуальность темы. Сегнетоэлектрические кристаллы характеризуются наличием в определенном температурном интервале спонтанной поляризованное Ps, наличие которой обуславливает комплекс оптических и электрооптических свойств. Это позволяет интенсивно и успешно использовать данные кристаллы в качестве твердотельных квантовых источников света в оптоэлектроники, устройств для управления ядерным излучением -модуляции, отклонения, преобразования частот. В тоже время наличие Ps в сегнетоэлектриках приводит к возникновению доменной структуры, нелинейных электрофизических свойств, которые существенным образом изменяют параметры оптоэлектронных устройств на основе данных материалов при их эксплуатации.
Сегнетоэлектрические кристаллы широко используются в качестве фо-торегистрирующих сред для записи голограмм. Как правило, для повышения чувствительности материалов используют легирование кристаллов, что приводит к изменению условий экранирования Р„ и увеличению подвижности доменных границ при различных внешних воздействиях.
В настоящее время известно достаточно много оптических сегнето-электрических кристаллов. Особое место среди них занимают кристаллы ниобата бария стронция, относящегося к классу сегнетоэлектриков-релаксоров и ниобат лития.
Ниобат лития занимает особое место в ряду кристаллов, используемых в оптоэлектронике для широкополосной эффективной модуляции, отклонения, коммутации, частотного преобразования световых пучков, благодаря ряду уникальных оптических, электрооптических и других свойств. Он относится к высококоэрцитивным соединениям, «замороженным» сегнето-электрикам. Традиционно считается, что его доменная структура слабо подвержена перестройке в глубокой сегнетофазе. Поэтому особые требования предъявляются к качеству данных кристаллов, температурной стабильности свойств в рабочем интервале температур (20 - 200)С.
В тоже время известно, что в этом интервале температур наблюдаются максимумы следования тепловых скачков Баркгаузена и многочисленные скачкообразные изменения оптических свойств кристаллов LiNb03. Эти скачки связаны с изменением двупреломления локальных областей кристалла, вызванных скачкообразными изменениями внутренних локальных электрических полей.
Введение примесей может существенно менять чувствительность доменной структуры к внешним воздействиям. Широкое использование легированных кристаллов LiNb03 в качестве фоторефрактивной среды делает актуальным изучение влияния примесей на термоиндуцированную подвижность доменной структуры в рабочем интервале температур. Поэтому
рос национальна* '
исследование доменной структуры, динамики и кинетики процессов переключения в кристаллах LiNb03 под воздействием температуры, а также исследование взаимосвязи скачкообразных процессов изменения оптической однородности, индуцированных изменением температуры, внешним электрическим полем и другими факторами, с сегнетоэлектрическим переключением (скачками переполяризации) имеет не только прикладное, но и общетеоретическое значение. Эти исследования целесообразно проводить на кристаллах LiNb03 легированных фоторефрактивной примесью Fe и примесью Zn, так как в них наблюдалось снижение коэрцитивного поля и большая подвижность доменных стенок.
Кристаллы твердых растворов ниобата бария стронция SrxBai.xNb2C>6 (SBN) относится к сегнетоэлектрикам-релаксорам. Высокие электрооптические коэффициенты (превышающие электрооптические коэффициенты кристаллов группы дигидрофосфата калия и ниобата лития), высокие пиро-и пьезоэлектрические коэффициенты и т.д. выдвигают SBN в число весьма перспективных материалов для различных применений. Широкие практические возможности и удобство для фундаментальных исследований кристаллов SBN обусловлены, прежде всего, сильной зависимостью оптических и диэлектрических свойств от вводимых примесей. Поэтому оптимизация параметров SBN путем подбора примесей является одной из актуальных задач.
Кристаллы SBN, легированные примесями Се и Сг, широко используются для записи динамической голографии, а также в качестве среды для оптической голографической памяти, поскольку добавление данных примесей приводит к значительному повышению фоторефрактивной чувствительности кристаллов. К примеру, при введении примеси Се обнаружено увеличение фоторефрактивной чувствительности на два порядка, a SBN с примесью Сг показывает намного большую скорость отклика фоторефракции, чем кристаллы с другими примесями. В связи с этим исследование влияния примесей Се и Сг и их комбинации (двойного легирования) на сегнетоэлектрические свойства кристаллов SBN является весьма перспективным. Особый интерес представляют исследования термоиндуцирован-ных процессов переключения в кристаллах SBN:Ce,Cr, а также их связи с реальной структурой кристалла.
Введение фоторефрактивных примесей смещает точку фазового перехода и интенсифицирует процессы происходящие в кристаллах, а также изменяет внутренние деполяризующие поля в объеме кристалла, которые, в свою очередь, изменяют условия экранирования спонтанной поляризации.
В свете вышесказанного представляется интересным и актуальным поиск общих закономерностей влияния фоторефрактивных примесей на особенности термоиндуцированного переключения в сегнетоэлектрических
кристаллах LiNb03 и SBN, принадлежащих к кислородно-октаэдрическим соединениям.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось исследование влияния фоторефрактивных примесей на термоиндуцированные скачкообразные процессы переключения в сегнетоэлектрических монокристаллах LiNb03 я SBN, относящихся к кислородно-октаэдрическим соединениям.
В соответствии с данной целью были поставлены следующие задачи:
Комплексное исследование термоиндуцированных скачкообразных процессов , в том числе теплового эффекта Баркгаузена в кристаллах LiNb03, относящихся к «замороженным» сегнетоэлектрикам, в интервале температур (10 - 150)С.
Установление особенностей протекания теплового эффекта Баркгаузена в сегнетоэлектриках-релаксорах на примере модельного кристалла SBN.
Изучение механизмов термоиндуцированных процессов и их связи с реальной структурой в кристаллах LiNb03 и SBN.
Изучение влияния фоторефрактивных примесей и установление общих закономерностей на протекание термоиндуцированных скачкообразных процессов переключения в кислородно-октаэдрических соединениях на примере кристаллов LiNb03 и SBN.
В качестве методов исследования как чистых образцов, так и в легированных примесями металлов, использовались методом теплового эффекта Баркгаузена, поляризационно-оптическим методом. Исследование доменной структуры проводилось методом химического травления.
Объекты исследования. Объектами исследования являлись кристаллы ниобата лития (LiNb03), как чистые, так и с примесью Zn и Fe и кристаллы ниобата бария стронция - Sr0.6iBao.39Nb206 (SBN): SBN:0.6l, SBN:0.61-Ce, SBN:0.61-Cr, SBN:0.61-Ce+Cr. Все кристаллы выращены методом Чох-ральского. Для легирования примесями в расплав вводились оксиды соответствующих металлов. Указанная в работе концентрация примесей соответствует концентрации примеси в расплаве, используемом при росте кристалла. Исследования проводились на монокристаллических образцах в виде плоскопараллельных пластин, вырезанных как перпендикулярно так и параллельно сегнетоэлектрической оси. Пластины ориентированы с отклонением не более 15'.
Кристаллы SBN были выращены на физическом факультете университета г. Оснабрюк (ФРГ) в лаборатории роста кристаллов под руководством профессора Р. Панкрата. Концентрация примесей указана в ед. ррт, что соответствует \(Ґт.%.
Кристаллы LiNb03, выращены в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР и МГУ. Концентрация примеси Zn указана в молярных процентах, а примеси Fe - в атомарных.
Научная новизна. Впервые исследованы термоиндуцированные скачкообразные процессы переключения в кристаллах сегнетоэлектрика-релаксора ниобата бария стронция как чистых, так и с примесями Се, Сг и двойным легированием (Се+ Сг) методом ТЭБ.
Установлено, что поведение ТЭБ в SBN является не характерным, что проявляется в следовании скачков Баркгаузена в области температур намного превышающим температуру максимума диэлектрической проницаемости.
Показано, что введение фоторефрактивных примесей изменяет закономерности протекания ТЭБ, а также инициирует возникновение новых механизмов импульсов переключения, при этом размывается максимум на температурной зависимости скорости следования скачков Баркгаузена.
Впервые проведено широкое исследование термоиндуцированных импульсов переключения как чистых кристаллов LiNb03 так и в LiNb03:Fe LiNb03:Zn, а также проведено сравнение механизмов возникновения скачков Баркгаузена и скачкообразных изменений оптической неоднородности в данных материалах.
Установлены общие закономерности влияния фоторефрактивных примесей на термоиндуцированные процессы переключения в кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриках - LiNb03 и SBN.
Практическая значимость. Кристаллы ниобта лития и ниобата бария стронция являются базовыми материалами оптоэлектроники. Это выдвигает особые требования к стабильности их свойств в рабочем интервале температур. Результаты диссертационной работы могут применяться в опто-электронной промышленности для улучшения эксплутационных характеристик при создании элементов и устройств на основе LiNb03 и SBN.
Основные положения, выносимые на зашиту.
1. Результаты исследования термоиндуцированных процессов переклю
чения кристаллов LiNb03 в интервале температур (10 - 150)С, обнаружены
закономерности протекания теплового эффекта Баркгаузена (ТЭБ), кото
рые заключаются в наличии двух экстремумов на зависимости N(T) в
указанном интервале температур и существовании «пороговое» поле (-750 В/см), до которого наблюдается лишь единичные скачки переполяри-зации. Значение этого поля падает при повторных циклах нагрева.
2. Результаты исследований влияния примесей Zn и Fe на термоиндуци
рованные процессы переключения в кристаллах LiNb03, которые интенси
фицируют перестройку доменной структуры, снижает величину «порогово-
го» поля, увеличивает скорость следования скачков Баркгаузена в исследуемом интервале температур.
Увеличение концентрации Zn (5 мол. % и выше - нефоторефрактивные примеси) приводит к подавлению процессов перестройки доменной структуры, вызванных изменением температуры по отношению к кристаллам с малой концентрацией Zn. Установлена одинаковая природа механизмов возникновения скачков Баркгаузена и скачкообразных изменений оптической неоднородности, в то же время параметры этих скачков различны.
-
Результаты исследований термоиндуцированных процессов переполяризации в кристаллах SBN и обнаруженные закономерности протекания этих процессов: интервал следования скачков составляет (20 - 130)С, температура максимума скорости следования импульсов переключения соответствует температуре максимума диэлектрической проницаемости (Т~ 80С), при этом скачки Баркгаузена следуют и при более высоких температурах.
-
Результаты исследований влияния фоторефрактивных примесей Се и Сг, отжига и поляризации на термоиндуцированные процессы переключения кристаллов SBN, из которых следует, что введение примесей облегчает процессы переключения в SBN, при этом каждая примесь инициирует различные механизмы возникновения скачков Баркгаузена и увеличивает интервал наиболее интенсивной перестройки доменной структуры: в кристаллах SBN:Ce и SBN:(Ce+Cr) два максимума на зависимости N (Т) , тогда
как в SBN:Cr и чистом SBN эта кривая имеет лишь один максимум.
5. Обнаружены общие закономерности влияния примесей металлов на
термоиндуцированные процессы переключения (ТЭБ) в кристаллах LiNb03
и SBN, принадлежащих классу кислородно-октаэдрических соединений,
заключающееся в интенсификации перестройки доменной структуры при
термическом воздействии, расширении температурного интервала следова
ния скачков переключения и снижении порогового поля.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на: 5-й Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение», г. Александров: ВНИИСИМС, 2001 г.; XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков ВКС- XVI, г. Тверь, сентябрь 2002 г.; Семинаре, посвященном памяти В.М. Рудяка «Процессы переключения в сегнетоэлектриках и сегнетоэластиках», г. Тверь, сентябрь 2002 г.; Международной научно-практической конференции «Пьезотехника - 2003», Москва: МИРЭА, ноябрь 2003 г.; The International Jubilee Conference "Single Crystals and their Application in the XXI century - 2004", г. Александров, ВНИИСИМС, июнь 2004 г.; the XXI International Conference "Relaxation Phenomena in Solids", г. Воронеж, октябрь 2004 г.; V Международной науч-
но-технической школе-семинаре «Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления» в рамках научно-технического форума «Высокие технологии - 2004», г. Ижевск: ИжГТУ, ноябрь 2004 г.; Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2004, Москва: ИК РАН, декабрь 2004 г.; XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, г. Пенза, июнь 2005 г.
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований отражены в 7 работах, написанных в соавторстве. Автором получены все основные экспериментальные результаты, выполнены расчеты физических параметров, проведена интерпретация экспериментальных данных.
Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых на кафедре физики сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков ТвГУ, в соответствии с координационными планами РАН и Головного совета по физике сегнетоэлектриков и диэлектриков по проблеме «Физика твердого тела» (разделы 1.З.9.2.; 1.З.9.5.; 1.З.9.6.; 1.3.10.2.). Работа поддерживалась Российским Фондом Фундаментальных Исследований: проекты № 98-02-16624 и № 00-02-16384, где автор являлся исполнителем.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии, содержит 82 рисунков, 4 таблицы. Библиография включает 121 наименование. Общий объём диссертации 137 страниц.
