Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в физике конденсированного состояния повышенное внимание уделяется изучению систем с неупорядоченной структурой. Актуальным научным направлением является установление связи элементов структуры таких объектов с их электрофизическими свойствами и фазовыми переходами. К таким материалам относятся твердые растворы сложных оксидов семейства перовскита, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами. Сегнетоэлектрики - это вещества, кристаллическая структура которых допускает существование в некотором диапазоне температур и давлений спонтанной электрической поляризации (отличного от нуля результирующего дипольного момента единицы объема образца), модуль и пространственная ориентация которой могут быть изменены под действием внешнего электрического поля. Помимо электрически переключаемой спонтанной поляризации, сегнетоэлектрики обладают целым спектром полезных для приложений физических свойств, среди которых особенно выделяются высокая, резко анизотропная и зависящая от внешнего электрического поля диэлектрическая проницаемость, прямой и обратный пьезоэлектрический, а, также пироэлектрический, эффекты.
Свинецсодержащие сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом широко применяются в качестве материалов для многослойных конденсаторов, что обусловлено наличием у них высоких значений пробойных полей и диэлектрических постоянных. В последние годы эти материалы все чаще находят свое применение в микроэлектронике и системах MEMS (микроэлектромеханических системах).
Керамика феррониобата свинца Pb2FeNb06 (PFN) является представителем этого класса сегнетоэлектриков. Как и в других тройных оксидах семейства перовскита с общей формулой А(В'05В"о 5)03, физические свойства феррониобата свинца сильно зависят от степени композиционного упорядочения (степени упорядочения в размещении ионов B'(Fe) и B"(Nb) по одинаковым кристаллографическим положениям). В свою очередь, степень упорядочения определяется множеством таких факторов, как условия изготовления, хранения, отжиги и др.
Керамика PFN относится к сегнетомагнетикам - материалам, сочетающим в себе электрическую и магнитную подсистемы. Они привлекают большое внимание исследователей из-за возможности создания принципиально новых устройств, например, устройств памяти, запись на которые производится электрическим полем, а считывание -магнитным, а также устройств, используемых в СВЧ- и сенсорной технике.
Благодаря всем перечисленным выше особенностям керамика феррониобата свинца является материалом, широко исследуемым и
вызывающим постоянно растущий интерес. Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических исследований, отсутствует однозначная интерпретация некоторых экспериментальных результатов исследования физических, в частности диэлектрических и структурных, свойств, полученных разными авторами. Так, например, в отличие от большинства подобных керамик, вопрос о существовании релаксорных свойств в керамике PFN (т.е. зависимости положения максимума на температурной зависимости диэлектрической проницаемости от частоты) остается открытым. Аналогично остается не решенной задача о существующих в данных материалах фазовых переходах.
Широкие возможности для фундаментальных исследований и практических применений керамики PFN обусловлены сильным влиянием примесей и нарушения стехиометрии состава на их диэлектрические свойства. Поэтому оптимизация физических свойств PFN путем варьирования химического состава является одной из важных задач, поскольку отступление от стехиометрии позволяет изменять физические свойства керамики феррониобата свинца, что представляет как научный, так и практический интерес.
С учетом вышесказанного, исследование дисперсии диэлектрической проницаемости керамики PFN с разной стехиометрией состава является актуальной научной задачей.
Целью работы являлось установление влияния отжига в параэлектрической фазе и нарушения стехиометрии на особенности диэлектрического отклика керамики PFN в широком интервале температур, включающем температуру фазового перехода, а также влияние проводимости на состояние поляризации.
В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:
исследовать дисперсию диэлектрических свойств стехиометрических и нестехиометрических составов керамики PFN в диапазоне частот 10~2-107Гц;
установить влияние отжига в параэлектрической фазе на диэлектрические свойства керамики PFN;
на основе экспериментальных исследований провести анализ механизмов проводимости и определить характеристики релаксационных диэлектрических процессов данных керамик;
исследовать влияние изменения температуры на диэлектрические характеристики и процессы проводимости отожженных и неотожженных образцов керамики PFN стехиометрического состава.
Научная новизна и практическая значимость:
- впервые проведено исследование дисперсии диэлектрической
проницаемости керамики PFN на частотах 10" -10 Гц;
по смещению максимума на температурной зависимости действительной части диэлектрической проницаемости в области низких частот установлен механизм влияния отжига на структурные неоднородности;
на основе исследований диэлектрической дисперсии проведен теоретический анализ механизмов проводимости керамики PFN;
получены распределения эффективного значения пироэлектрического коэффициента в образцах керамики PFN; выявлены условия возникновения и физические механизмы неоднородной поляризуемости данных материалов.
результаты диссертационной работы могут быть использованы для тестирования и выбора сегнетоэлектрических материалов при создании различных датчиков в радиотехнической и микроэлектронной промышленности.
На защиту выносятся следующие положения:
В области низких частот (10" -10 Гц) положение максимума на температурной зависимости действительной части диэлектрической проницаемости зависит от частоты измерения; направление смещения максимума определятся неоднородностями структуры керамики.
Диэлектрический отклик характеризуется несколькими участками дисперсии, которые соответствуют разным частотным диапазонам, различаются физическими механизмами и зависят от стехиометрии состава.
Керамика PFN имеет большую проводимость, которая вносит преобладающий вклад в диэлектрический отклик и препятствует поляризации основного объема образца.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика-21», ИПТМиСЧ РАН, 2006 г. (г. Черноголовка); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых-13, 20-26 апреля 2007 (г. Ростов на Дону); XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XVIII), 9-14 июня 2008 г. (г. Санкт-Петербург); XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2008), 3-7 июня 2008 г. (г. Санкт-Петербург); V Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», «Молодые ученые-2008», 10-14 ноября 2008 г. (Москва); XXII International Conference on relaxation phenomena in solids (г. Воронеж), 2010 г.; International Conference of Functional materials and nanotechnologies, 2010 г., (Латвия, г. Рига); XII Международной конференции Физика диэлектриков
«Диэлектрики-2011» 23-26 мая 2011г. (г. Санкт-Петербург); International Conference "Functional Materials and Nanotechnologies", 5-8 April, 2011 г. (Латвия, г. Рига).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 статьях во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях, включая 3 статьи в журналах из списка ВАК.
Личный вклад автора. Диссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов. При личном участии автора выполнены диэлектрические измерения и измерения электропроводимости, получены снимки структуры, вольтамперные характеристики, распределения поляризации по толщине образца, проведены расчеты, обработаны полученные результаты.
Настоящая работа выполнена на кафедре физики сегнето- и пьезоэлектриков Тверского государственного университета. Измерения диэлектрических характеристик проводились на физическом факультете МГУ им. Ломоносова с помощью специальной установки широкополосного диэлектрического анализатора Novocontrol Alpha-A Analyzer "Concept 40".
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 118 страницы основного текста, 39 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 102 наименований и 1 приложение.
