Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 9
1.1.Общие сведения об электронной эмиссии из твердых тел 9
1.2. Эмиссия электронов из сегнетоэлектрических материалов. Общие закономерности 14
1.3. Фото- и термостимулированная эмиссия электронов из сегнетоэлектриков 15
1.4. Возникновение эмиссии электронов при фазовых переходах... 21
1.5. Возникновение эмиссии электронов при пьезоэлектрическом эффекте 28
1.6. Эмиссия электронов, возбуждаемая переполяризацией 29
1.7. Распределение энергии электронов 34
1.8. «Сильная» эмиссия электронов из сегнетоэлектриков 35
1.9. Природа эмиссии электронов из сегнетоэлектриков 37
Глава 2. Кинетика электронной эмиссии 41
2.1.Описание методики исследования, эксспериментальной установки и объекта исследования
2.2. Кинетика электронной эмиссии из сегнетоэлектрического кристалла ТГС 44
2.3. Релаксация электронной эмиссии из кристаллов ТГС с дефектами 49
Глава 3. Влияние скорости нагрева на эмиссию электронов из сегнетоэлектриков 57
3.1. Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе номинально чистого кристалла ТГС, нагреваемого с большой скоростью 57
3.2. Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС с примесью хрома, нагреваемого с большой скоростью 64
3.3. Термостимулированная эмиссия электронов из кристаллов ТГС с примесью никеля 70
Глава 4. Влияние частоты переключающего поля на параметры эмиссии электронов из сегнетоэлектриков 75
4.1. Влияние частоты переключающего поля на пороговое поле эмиссии 75
4.2. Частотная зависимость коэрцитивного поля в сегнетоэлектриках 78
Выводы 84
Литература 85
- Эмиссия электронов из сегнетоэлектрических материалов. Общие закономерности
- Эмиссия электронов, возбуждаемая переполяризацией
- Кинетика электронной эмиссии из сегнетоэлектрического кристалла ТГС
- Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС с примесью хрома, нагреваемого с большой скоростью
Введение к работе
Актуальность темы.
Среди различных методов исследования поверхности материалов важное место занимает эмиссия электронов, представляющая как научный, так и практический интерес. Изучение особенностей кинетики эмиссионных процессов в сегнетоэлектриках позволяет глубже понять механизм эмиссии в этих материалах. Кроме того, знание основных кинетических закономерностей позволяет целенаправленно влиять на параметры эмиссионного тока и, значит, говорить о перспективах использования сегнетоэлектрических материалов в качестве холодных эмиттеров.
К моменту выполнения настоящей работы целый ряд вопросов в изучении эмиссии электронов из сегнетоэлектриков оставался нерешенным. Несмотря на наличие достаточно продуктивных гипотез, предложенных для объяснения эмиссионных процессов в указанных материалах, оставалось еще немало вопросов, которые нуждались в проведении дополнительных исследований.
Исследование кинетических закономерностей эмиссии в сегнетоэлектрических материалах проводилось ранее только для фиксированных температур, где основное внимание было сконцентрировано на изучение величины эмиссионного сигнала.
В то же время оставался неясным один из ключевых вопросов эмиссии электронов в сегнетоэлектриках - об условиях наблюдения эмиссии и, в частности, о температурном интервале существования эмиссии. В настоящей работе исследовано температурное поведение времени релаксации эмиссии в сегнетоэлектриках. Подробно изучено влияние скорости нагрева образца на величину и границы температурного интервала, в котором регистрируется указанная эмиссия. В заключительной части работы рассмотрено влияние на основные параметры эмиссионного процесса в сегнетоэлектриках частоты переполяризующего поля.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является уточнение природы эмиссии электронов из сегнетоэлектриков посредством изучения кинетики электронной эмиссии. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:
изучение временных зависимостей эмиссионного тока в номинально чистом и легированном примесями кристаллах триглицинсульфата;
изучение влияния скорости нагрева образца на параметры эмиссионного тока;
изучение влияния частоты переключающего поля на коэрцитивное поле и пороговое поле эмиссии в сегнетоэлектриках.
Научная новизна. Все основные результаты данной работы являются новыми. В ней впервые исследовано температурное поведение времени релаксации эмиссии электронов в различных сегнетоэлектрических материалах. Изучены закономерности возникновения электронной эмиссии в неполярной фазе сегнетоэлектрика и предложен механизм ее возникновения. Показана ведущая роль зарядов экранирования спонтанной поляризации в возникновении эмиссии в парафазе. Рассчитана частотная зависимость коэрцитивного поля в рамках механизма бокового движения доменных границ. Показано, что частотная зависимость порогового поля эмиссии может быть объяснена соответствующей зависимостью коэрцитивного поля материала.
Научные положения, выносимые на зашиту.
Эмиссионный сигнал в сегнетоэлектриках возникает только в процессе изменения макроскопической поляризации образца и спадает по экспоненциальному закону при стабилизации температурного или полевого воздействия.
Температура исчезновения эмиссии электронов из сегнетоэлектриков не
обязательно совпадает с точкой Кюри Тс. Она может быть как меньше, так и больше Тс в зависимости от скорости нагрева образца. Наличие эмиссии выше точки Кюри подтверждает активную роль в эмиссионных процессах зарядов экранирования спонтанной поляризации.
Величина температурного интервала затягивания эмиссии в парафазу определяется временем максвелловской релаксации зарядов экранирования и может меняться за счет изменения проводимости в дефектном материале.
Пороговое поле эмиссии коррелирует с коэрцитивным полем материала. Растущая частотная зависимость указанных полей связана с активационными процессами, контролирующими переполяризацию сегнетоэлектриков.
Научная и практическая значимость работы.
Основными результатами диссертационной работы является выявление факторов, влияющих на релаксацию эмиссионного тока, на температурный интервал существования эмиссии и частотную зависимость порогового поля эмиссии в сегнетоэлектриках. Указанные параметры могут быть изменены путем изменения материала используемого сегнетоэлектрика, температуры и степени его дефектности. В связи с этим появляется возможность целенаправленного изменения параметров эмиссионного тока, таких как величина температурного интервала существования эмиссии, значение эмиссионного тока, его релаксационные характеристики, что важно для практического применения данного эффекта.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9-й и 10-й Европейских конференциях по сегнетоэлектричеству (Прага, Чехия, 1999; Кэмбридж, Великобритания, 2003), 10-й Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Мадрид, Испания, 2001), 14-й Международной конференции по вакуумной микроэлектронике (Калифорния, США, 2001), 7-
й Российско/СНГ/Балтийско/Японском Симпозиуме по сегнетоэлектричеству
(С.-Петербург, Россия, 2002), 4-ой ШЕЕ Международной конференции по
вакуумным электронным источникам (Саратов, Россия, 2002), 6-й
Европейской конференции по применению полярных диэлектриков (Авьеру,
Португалия, 2002), 7-м Международном симпозиуме по доменам в
ферроиках и мезоскопическим структурам (Жьен, Франция, 2002), XV и XVI
Всероссийских Конференциях по физике сегнетоэлектриков (Ростов-на-
Дону, 1999; Тверь, 2002), V Международном конгрессе по математическому
моделированию (Дубна, Russia, 2002), IV Международной Научно-
технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Москва,
2002), 4-ом Международном семинаре по физике сегнетоэластиков
(Воронеж, 2003), пятой, седьмой и восьмой Всероссийских научных
конференциях студентов - физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 1999;
Екатеринбург - Санкт-Петербург, 2001; Екатеринбург, 2002), XIV
Международном совещании по рентгенографии минералов (Санкт-
Петербург, 1999), Втором Всероссийском семинаре "Нелинейные процессы
и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж,
1999), Международной научно-технической конференции «Межфазная
релаксация в полиматериалах» (Москва, 2001), Международной научно-
практической конференции «Фундаментальные проблемы
радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003), Международной
научно-практической школы-конференции «Пьезотехника - 2003» (Москва,
2003).
Публикации и вклад автора.
Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных статьях. Автором получены все основные экспериментальные результаты и проведены теоретические расчеты. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Дрождиным С.Н. и к.ф.-м.н. доц. Миловидовой С.Д.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 97 страницах машинописного текста, иллюстрирована 30 рисунками и содержит 1 таблицу. Библиографический раздел включает 126 наименований.
Эмиссия электронов из сегнетоэлектрических материалов. Общие закономерности
Для сегнетоэлектриков электронная эмиссия при фотостимуляции предварительно поляризованных образцов впервые наблюдалась Беляевым и Бен-дриковой в 1964 г. [15], при переполяризации внешним электрическим полем Суйяком в 1965г. [16], в сегнетокерамике титаната бария при фазовом переходе в 1967 г. Кортовым и Минц [17]. С момента открытия эмиссии электронов в сегнетоэлектриках исследовательская активность в этой области значительно возросла, что обусловлено не только перспективами её использования в новейших технологиях микроэлектроники, но и попытками решить фундаментальные проблемы физики сегнетоэлектриков.
В качестве объектов исследования эмиссии электронов из сегнетоэлектриков используются как образцы классических сегнетоактивных материалов с фазовыми переходами I и II рода (титаната бария [18-21], дигидрофосфата калия [22], триглицинсульфата [15, 23-31], сегнетовой соли [16], германата свинца [32,33], ниобата лития [34-45], танталата лития [46-49], молибдата гадолиния [50]), так и твердые растворы керамики [51-63] и современные материалы нового поколения.
К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, в котором отмечаются как особенности эмиссии, характерные для большинства сегнетоэлектриков, так и отличия эмиссионного отклика различных материалов при действии стимулирующих факторов различной природы.
Большинство авторов соглашается с тем фактом, что возникновение эмиссии из сегнетоэлектриков связано с нарушением равновесия зарядов на , поверхности сегнетоэлектрика в результате стимулирующих воздействий. Такими воздействиями могут быть: а) реверсирование спонтанной поляризации Ps под действием изменяющегося электрического поля (электростимули-рованная эмиссия); б) нагревание контролируемого объекта, приводящее к возникновению пироэлектрического эффекта dP — ydT . Возникающее при этом пироэлектрическое поле приводит к эмиссионному эффекту (термости-мулированная электронная эмиссия); в) применение лазерного или других фотостимулирующих излучений. В данном случае фотостимулированная электронная эмиссия сопровождает фотовольтатический эффект; г) применение механических воздействий, приводящих к деформации исследуемых кристаллов. В этом случае возникновение эмиссионного тока может быть обусловлено, с одной стороны, непосредственно механическими причинами, приводящим к возникновению поверхностных зарядов на кристалле. И с другой стороны, косвенно, посредством изменения полярного состояния сегнетоэлектрика за счёт пьезоэлектрического взаимодействия (прямой пьезоэффект Pk = djjk Ojj).
Помимо основных вышеперечисленных методов воздействия для возбуждения эмиссионного эффекта в сегнетоэлектриках используют также их комбинацию, различные виды излучения (рентгеновское, облучение a-, J3-, 7-лучами), приводящие к нарушению статического равновесия зарядов на поверхности материала.
Противоположная поверхность Z" однодоменного образца испускала СЭЭ при охлаждении, а электронные вспышки с неё наблюдались при нагревании. Полидоменные образцы излучали электроны, как при нагревании, так и при охлаждении. Отображение СЭЭ дало отчётливую картину сегнетоэлек-трических доменов, имеющих форму кольца, идентичную оптическому изо бражению доменной структуры в полидоменном кристалле ЬіИЬОз. Эмиссионный ток имел плотность порядка 10 9—10 10 А/см2. Измерение энергии электронов с помощью запаздывающего потенциала дало большое значение We=5K3B. Указанные результаты были объяснены наличием термически стимулированной автоэмиссии. При этом термостимуляция отвечает за образование пироэлектрических зарядов. Эти заряды создают электростатическое поле Е в вакуумном зазоре, которое в соответствии с представленными оценками достигало Е=1.35 10"7 В/см.
Данные, полученные Розенманом и Войковой [36] при использовании LiNbC 3:Fe, продемонстрировали устойчивый в течение длительного времени эмиссионный ток, который был приписан состоянию динамического равновесия между двумя процессами: образованием пироэлектрических зарядов и релаксацией объёмного заряда в кристалле. Верхняя температурная граница для СЭЭ равнялась 420К и соответствовала активации Fe+2 - донорных центров и соответствующему усилению объёмной проводимости.
Эмиссия электронов, возбуждаемая переполяризацией
Ранее рассмотренные результаты показывают, что эффект эмиссии возбуждается нескомпенсированным полем, имеющим пироэлектрическое или пьезоэлектрическое происхождение. Различные методы, использовавшиеся для оценки интенсивности возбуждаемого поля, показали, что оно не превышает (2-3) 106 В/см. При этом измеренный ток эмиссии варьировался в диапазоне 10"9... 10 14 А/см2.
Очевидно, что наиболее радикальным способом изменения макроскопической поляризации является переполяризация. Следовательно, она же должна являться и наиболее эффективным способом возбуждения эмиссии [65-74]. Вызываемая полем переориентация вектора поляризации сегнето-электрика может происходить за короткое время, гораздо меньшее, чем ти пичные времена релаксации диэлектрика. Резкое изменение поляризации из состояния +PS в -Ps даёт возможность пренебречь процессами экранирования по объёму кристалла, а также предположить возможность появлении значительно более сильных нескомпенсированных полей по сравнению с полями, возбуждённых пироэлектрическим или пьезоэлектрическим эффектом.
Первое наблюдение эмиссии при смене поляризации было проведено Розенманом с соавторами. Эмиссия изучалась на примере монокристалла германата свинца Pb5Ge3On. Используемый при получении изображения Рис. 1.7 электронный детектор сделал возможным одновременное детектирование тока эмиссии и наблюдение эмиссионных изображений, показывающих процесс переориентации в реальном времени. Подробный анализ эмиссии был проведён с использованием телевизионной системы для регистрации процесса эмиссии во время смены поляризации. Разрешение по времени было ограничено 40мс в связи с использованием телевизионного метода регистрации. Внешнее переполяризующее поле было подведено от генератора высокого напряжения к двум электродам. Первый электрод накладывался на заднюю поверхность сегнетоэлектрического образца. Второй электрод играл роль входной пластины электронного умножителя. Таким образом, образец помещался непосредственно на многоканальную пластину. Между полярной плоскостью сегнетоэлектрика и электронным детектором был оставлен небольшой зазор, который также играл роль переключающего электрода. Последующие измерения ёмкостей дали оценку для толщины этого зазора: 10...20MKM.
Исследовавшиеся пластины германата свинца имели размер 10x10x1 (XXYXZ)MM. Переориентирующее поле менялось в диапазоне Esw=(3...6)xl0 В/см. На рис. 1.7 изображено несколько фрагментов видеозаписи. Воздействие переориентирующего импульса с ESVV=3.4X103B/CM приводит к появлению и росту эмиссионного пятна. Далее интенсивность быстро спадает к центру, и эмиссионное кольцо неправильной формы смещается к краю кристалла.
Указанная видеозапись СЭЭ была произведена тогда, когда переключающий импульс отрицательной полярности был заведён на задний электрод. Переключающее напряжение вызывает появление отрицательного полюса у домена на поверхности кристалла, помещенной на входной пластине детектора электронов. Применение импульса с противоположной полярностью не дало никакой эмиссии электронов кроме появления случайных вспышек.
Изображения отсняты через 0,2 с. На рис. 1.8 показаны кадры видеозаписи, отснятые через 40 мс. Подача переключающего напряжения в 3300 В/см привела к появлению эмиссионного пятна на краю образца. Оно росло вдоль короткой стороны кристалла в форме тонкой яркой линии. Когда линия пересекла кристалл вплоть до противоположной стороны, началась эмиссия электронов со всей противоположной поверхности образца.
Изображения СЭЭ иллюстрируют все этапы переполяризации в кристалле Gd2(Mo04)3: образование конусообразного домена на ребре кристалла, его проникновение внутрь кристалла с образованием лентообразного домена и, наконец, боковое движение разворачивающейся на 180 доменной стенки.
Кристаллы Gc MoO обладают очень низкой проводимостью (а= =10"14см), время диэлектрической релаксации для них составляет 88,5 с. Следовательно, в случае открытой противоположной грани объемное экранирование деполяризующим путём строго ограничено. Проведенные исследования СЭЭ показали интенсивное угасание яркости СЭЭ за короткое время тет « 10"2с, что на 4 порядка меньше расчетного времени диэлектрической релаксации для данного кристалла. Это доказывает, что ток СЭЭ дает существенный вклад в процесс экранирования в слабо проводящих сегнетоэлектриках.
Эмиссия электронов в ходе переполяризации также была тщательно изучена в работах Бердзинки, ЛиБьяна и Розенмана в кристаллах ТГС, Бердзинки и ЛиБьяна в кристаллах ВаТіОз и керамиках PLZT, Суяка и Бердзинки в кристаллах KDP. Эмиссия возбуждалась в кристаллах ТГС подачей переменного переключающего поля с частотой 50 Гц.
Наблюдавшиеся результаты показали, что ток СЭЭ генерируется, когда подаваемое напряжение достигает величины, достаточной для изменения поляризации, что было подтверждено одновременными измерениями петель гистерезиса. СЭЭ наблюдалась только в сегнетоэлектрической фазе при Т Тс от отрицательно заряженной полярной поверхности сегнетоэлектрика, в то время как отрицательный конец полярной оси растягивался вдоль поверхности. Непосредственно измеренная плотность потока СЭЭ из кристалла ТГС в 50-герцовом переключающем поле равна jem = 10 А/см . Сходные результаты получены и для других сегнетоэлектриков, включая керамику PLZT, в таком же поле.
Следует отметить, что в рассмотренных работах параметры СЭЭ измерялись в плоской геометрии, когда верхний электрод (входная пластина электронного детектора) установлен параллельно изучаемым граням сегнетоэлек-трика. Получавшийся в результате ток СЭЭ является слабым и не превышает 10 А/см . Данная экспериментальная установка отлична от разработанной Гундэлэм, в которой не сплошной (ленточный, сеточный) электрод положен непосредственно на изучаемую грань. Как следствие, распределение подаваемого напряжения существенно отличается от плоской геометрии. Мы твердо убеждены, что экспериментальная установка с не сплошным электродом позволила получить абсолютно новые результаты, когда был получен необычайно сильный ток СЭЭ с плотностью до ЮОА/см2.
Кинетика электронной эмиссии из сегнетоэлектрического кристалла ТГС
Среди различных вопросов, относящихся к эмиссионной проблеме, важное место занимают вопросы кинетики. Знание характерных времен затухания тока эмиссии позволяет говорить о перспективах использования сегнетоэлектрических материалов в качестве холодных эмиттеров. С другой стороны, понимание выяснение деталей кинетики эмиссионных процессов в сегнетоэлектриках, позволит глубже понять основополагающие механизмы эмиссионных явлений в сегнетоэлектриках.
Исследование кинетических закономерностей эмиссии в сегнетоэлектрических материалах и, в частности, в кристалле триглицинсульфата, проводилось нами ранее в работах [80,5], где определялось время релаксации эмиссионного тока после стабизизации поляризованного состояния, созданного предварительной поляризацией образца в электрическом поле [5], или за счет изменения его температуры [80]. В обоих случаях все измерения проводились при фиксированной температуре. Целью настоящей работы является изучение зависимости релаксационных процессов в термостимулированной эмиссии в зависимости от температуры материала.
Измерения плотности тока электронной эмиссии jem в данной части работы проводились на образцах полярного у - среза кристалла триглицинсульфата площадью 20 mm и толщиной 1 mm. Проведенные измерения показали следующее. Как видно из экспериментального графика, представленного на Рис.2.2, исследуемая термоэлектронная эмиссия из сегнетоэлектрического кристалла ТГС наблюдается только в момент изменения состояния макроскопической поляризованности. При стабилизации температуры при том или ином удалении от точки Кюри наблюдается характерный экспоненциальный спад плотности эмиссионного тока. Как видно из Рис.2.3, в некоторых случаях (например, кривая 2) можно говорить о нескольких временах релаксации для одного и того же процесса. Отметим, что, как должно быть в приближении достаточно малых возмущений, время релаксации термостимулированной эмиссии здесь по порядку величины совпадает со временем релаксации эмиссионного тока в кристалле ТГС в случае стимуляции эмиссии электрическим полем [5].
Наблюдаемая термоэмиссионная активность исследуемых сегнетоэлектриков может быть объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поверхностных электронных состояний в поле зарядов экранирования спонтанной поляризации. В состоянии равновесия поле зарядов спонтанной поляризации обычно скомпенсировано, например, зарядами осаждающимися из атмосферы, так что поверхность сегнетоэлектрика не обнаруживает электрической активности. Нарушение компенсированности указанных полей за счет уменьшения спонтанной поляризации при приближении к точке Кюри приведет к появлению отличного от нуля суммарного поля, направление которого определяется уже полем компенсирующих зарядов. Данное поле и является тем фактором, который приводит к выбросу электронов из ловушек на поверхностных электронных состояниях [80].
Как видно из (4), время г должно убывать при Т - Тс, что и наблюдается в эксперименте. Численные оценки указанного времени г при обычных es« 5, Рн 104, S 1, « 10"8 при Т« 45С для кристалла ТГС с а0 4 10 3, Р « 8 10"10 для /І » 10"12 дают г « 103, что также хорошо согласуется с величиной г, измеренной в эксперименте.
С кинетикой эмиссии, связанной с опустошением поверхностных электронных состояний в принципе может конкурировать кинетика эмиссии, связанная с максвелловской релаксацией зарядов экранирования. Вблизи температуры фазового перехода удельная электропроводность кристалла триглицинсульфата составляет 10" Ом см, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического материала є » 103, что дает время максвелловской релаксации тм = є /47га «103 с. В принципе это время также близко к экспериментально наблюдаемому времени релаксации эмиссии, однако, оно имеет прямо противоположную температурную зависимость, чем время релаксации, определенное из эксперимента. Действительно, электропроводность не имеет критического поведения вблизи точки фазового перехода и поэтому поведение времени максвеллловской релаксации гм здесь будет определяться поведением диэлектрической проницаемости, которая характеризуется аномальным ростом вблизи Тс. Результаты, полученные выше для номинально чистых кристаллов ТГС, естественно проверить для кристаллов, легированных примесями, в которых ожидается изменение времени релаксации эмиссии.
Для измерений здесь использовались образцы полярного У - скола кристаллов триглицинсульфата площадью 30 мм и толщиной l-f-2 мм. Все исследуемые кристаллы чистого ТГС и с различными примесями были выращены в сегнетоэлектрической фазе путем понижения температуры насыщения раствора. Температура образцов измерялась медь константановой термопарой и контролировалась одновременным измерением емкости контрольного образца чистого кристалла ТТС. При исследовании эмиссии, стимулированной синусоидальным электрическим полем частотой 50 Гц, на образцы наносились электроды из сусального золота. Эмиссия электронов в этом случае измерялась в области зазора толщиной 1 мм в верхнем электроде. Різмерения проводились в диапазоне температур от комнатных до превышающих точку Кюри приблизительно на пять градусов (+55 С).
Термостимулированная эмиссия электронов в параэлектрической фазе кристалла ТГС с примесью хрома, нагреваемого с большой скоростью
Как было показано выше, затягивание эмиссионного сигнала в параэлектрическую фазу можно связать с конечным временем релаксации зарядов экранирования спонтанной поляризации. В дефектном материале за счет изменения проводимости это время можно менять, следовательно, здесь можно наблюдать и изменение интервала затягивания эмиссии в параэлектрическую фазу.
Для проверки данного предположения в настоящей работе были выполнены измерения по влиянию скорости нагрева образца на эмиссионные характеристики. Для измерений использовались образцы полярного Y - среза кристалла ТГС с примесью хрома (1 мол % в растворе) площадью 20 mm и толщиной 1 mm, а также образцы с примесью никеля.
Проведенные измерения показали следующее. Термостимулированная эмиссия электронов наблюдается в ограниченном температурном интервале, границы которого зависят от скорости q = dT/dt нагрева образца. Низкотемпературная граница практически не зависит от скорости q (см. Рис.3.5 a-d). Величина эмиссионного сигнала монотонно растет с ростом q приблизительно по линейному закону (Рис.3.6).
Наиболее интересный эффект касается положения высокотемпературной границы раздела. Как видно из Рис.3.5a-d и Рис.3.7, при небольших скоростях нагрева с ростом q значение указанной температуры также увеличивается приблизительно пропорционально скорости нагрева образца и стабилизируется при достаточно высоких q . При этом сама температура исчезновения эмиссии в зависимости от величины q может быть как больше, так и меньше Тс. При q = 0,5 K/min температура исчезновения эмиссии в чистом ТГС равна + 45-46 С, т.е. локализована ниже точки Кюри. При q = 4 -5K/min она достигает около 55С, т.е. эмиссия электронов регистрируется в температурной области, превышающей точку Кюри на 5К.
При сравнении с чистым кристаллом ТГС видно, что наблюдаемая картина качественно аналогична. Разница состоит в том что интервал затягивания эмиссии в парафазу здесь больше и в частности для q = 4,5K/mm. Составляет 10-15К. Зарегистрировано уменьшение суммарного числа эммитируемых электронов с ростом скорости нагрева образца (Рис.3.8).
Как уже отмечалось, наблюдаемая термоэмиссионная активность исследуемых сегнетоэлектриков может быть объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поверхностных электронных состояний в суммарном поле зарядов экранирования спонтанной поляризации и компенсирующих их зарядов. Нарушение компенсированности указанных полей за счет уменьшения спонтанной поляризации при приближении к точке Кюри приводит к появлению отличного от нуля суммарного поля, которое и является фактором, приводящим к выбросу электронов из ловушек на поверхностных электронных состояниях [80].
Зависимость полного числа импульсов эмиссии от скорости нагрева для монокристалла ТГС с примесью хрома. Наличие эмиссии выше Тс, во-первых, еще раз подтверждает предположение о природе зарядов, активных в эмиссии (компенсирующие заряды, а не заряды спонтанной поляризации). Во-вторых, возрастание температуры исчезновения эмиссии в парафазе с ростом скорости нагрева можно связать с затягиванием компенсирующих зарядов до данных температур в связи с достаточно большим временем их максвелловской релаксации г.
Уменьшение интервала затягивания эмиссии в парафазу в кристалле ТГС с примесью хрома объясняется в этом случае уменьшением времени максвелловской релаксации компенсирующих зарядов, которое обнаружено в [115] и связывается с увеличением проводимости дефектного материала [103].
Хорошо известно, что время релаксации эмиссии зависит от типа примеси, и таким образом мы можем проверить наше предположение относительно природы эмиссии наблюдаемой в параэлектрической фазе, используя материалы с различными типами примесей. В этой части работы мы представляем результаты исследования эмиссии из кристаллов ТГС с примесью никеля. В результате провиденных исследований было выявлено, что так же как в случае чистого кристалла ТГС и кристалла ТГС с примесью хрома термостимулированная эмиссия из кристаллов ТГС с примесью никеля наблюдается в ограниченном температурном интервале.
Похожие диссертации на Кинетика эмиссии электронов из сегнетоэлектриков
