Введение к работе
Актуальность проблемы. Сегнетоэлектричество является одним из
интенсивно развивающихся разделов физики твердого тела.
Почти все основные явления в сегнетоэлектриках
переполяризация, пироэффект, пьезоэффект, фоторефракция и
др. - связаны с наличием спонтанной поляризованности и
возможностью ее изменения под воздействием различных
факторов. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы находят
широкое применение во многих областях современной техники:
радиотехнике, гидроакустике, квантовой электронике,
интегральной оптике, измерительной технике, медицине.
Особенно интересны и перспективны области применения сегнетоэлектрических кристаллов, связанные с использованием пироэффекта. В научном плане достаточно актуален вопрос о роли поверхности в проявлении пироэлектрических свойств. На поверхности твердых тел происходит обрыв периодичности кристаллической решетки, что не может не оказывать влияния на пироэлектрические свойства кристаллов. В сегнетоэлектрических кристаллах с поверхностным слоем так же связаны процессы экранирования спонтанной поляризованности.
Теоретически эти вопросы изучены достаточно глубоко, в то же время экспериментально роль поверхностного слоя в процессах экранирования спонтанной поляризованности и его влияние на пироэлектрические свойства кристаллов изучены недостаточно полно.
С поверхностью сегнетоэлектрических кристаллов связано явление экзоэлектронной эмиссии. Изучение экзоэлектронной эмиссии является сравнительно новым методом исследования в физике сегнетоэлектриков, позволяющим изучать состояние сегнетоэлектриков при изменении температуры и при воздействии внешних полей, а так же визуализировать процессы переключения полярных кристаллов.
В связи с вышеизложенным, исследование свойств поверхностных слоев и физических процессов, протекание которых связано с поверхностью кристалла, является актуальной научной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось комплексное исследование пироэлектрических и эмиссионных свойств поверхностных слоев кристаллов группы ТГС в интервале
температур от Т = 20 С до Т > Тс , а также сравнительные
2 исследования данных свойств кристаллов группы ТГС со свойствами сегнетоэлектриков - полупроводников Sn2P2Se, Pb5Ge30lb ХГС-2.
В соответствии с этой целью были поставлены основные задачи:
- усовершенствовать общие методики исследования пироэффекта
для изучения пироэлектрических свойств поверхностных слоев;
- провести сравнительные исследования пироэлектрических
свойств поверхностного слоя и кристалла, на примере кристаллов
ДТГС, Sn2P2S6, Pb5Ge3Ou;
выявить взаимосвязь между свойствами поверхностного слоя и условиями наблюдения экзоэлектронной эмиссии; на примере кристаллов ТГС , ДТГС , Pb5Ge3011;
выяснить роль поверхностного слоя в процессах экранирования спонтанной поляризованности.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования использовались монокристаллические образцы ТГС и ДТГС, выращенные в Институте кристаллографии РАН, монокристаллы ^2-^21 выращенные в Ужгородском университете, материал
ХГС-2, полученный в Ростовском университете, и монокристаллы германата свинца, выращенные в Днепропетровском университете. Научная новизна. Впервые выполнено систематическое исследование пироэлектрических свойств поверхностных слоев кристаллов группы ТГС, сегнетоэлектриков-полупроводников кристаллов S^I^Sg, РЬ5&езОц и материала ХГС-2, определены
пироэлектрические характеристики поверхностных слоев, установлена роль поверхностного слоя в процессах экранирования спонтанной поляризованности. Новые явления и закономерности, выявленные в результате экспериментов, обобщены в следующих основных положениях, выносимых на защиту:
1. Использование динамического метода исследования пироэффекта, в случае прямоугольной модуляции теплового потока с разной частотой модуляции, позволяет изучать пироэлектрические свойства поверхностных слоев сегнето-электрических кристаллов, а также определять наличие в этих кристаллах слоев объемного заряда, проявляющихся в парафазе. Данный метод опробован на кристаллах ДТГС , Sn2P2Sg ,
РЪ^Ое^Оц, материале ХГС-2.
2. В кристаллах ДТГС в сегнетофазе существует полидоменный поверхностный слой. В районе фазового перехода этот слой
переходит в поверхностный слой с инверсной поляризованностью. Индуцирование инверсной поляризованности в поверхностном слое кристаллов ДТГС в парафазе осуществляется полем электрического заряда, ранее экранировавшего спонтанную поляризованность или внешнее электрическое поле.
3. Наблюдения экзоэлектронной эмиссии позволяют
визуализировать движение доменных границ в процессе
переполяризации сегнетоэлектрика-полупроводника под
действием внешнего электрического поля. Эксперименты
проведены на кристаллах германата свинца.
4. Влияние внешних воздействий, таких, как высокотемпера
турный отжиг кристалла в вакууме, наложение внешнего
электрического поля, приводит к изменению пироэлектрических
свойств поверхностных слоев кристаллов группы ТГС.
Практическая ценность. Разработана методика изучения
пироэлектрических свойств поверхностных слоев сегнето-
электриков, основанная на использовании динамического метода
исследования пироэффекта, при использовании прямоугольной
модуляции теплового потока с разной частотой модуляции.
Данная методика позволяет определять наличие в кристалле слоев объемного заряда и слоев, поляризованность которых отлична от поляризованности основного объема кристалла, и оценивать толщину этих слоев.
Предлагаемая методика по визуализации экзоэлектронной эмиссии с поверхности кристалла позволяет регистрировать пространственное распределение эмиттируемых электронов, что дает возможность визуализировать деполяризующие поля, статику и динамику доменной структуры.
Для проведения экспериментов по исследованию влияния электрического поля на пироэлектрические свойства поверхностного слоя разработана схема защиты операционного усилителя. Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 1 International Symposium "Domain Structure of Ferroeletrics and Related Materials." (5 -9 сентября 1989 , г. Волгоград); XIII Национальной конференции по физике сегнетоэлектриков (15 - 19 сентября 1992 , г. Тверь); 6 Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков-полупроводников (1 - 4 июня 1993 , г. Ростов-на-Дону); 9 International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (7 -10 Aug. 1994 , University Park, Pennsylvania,USA); 3 International Symposium "Domain Structure of Ferroeletrics and Related Materials.'' (5 -9 September 1994 , Poznan, Poland).
4 Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 11 работах, написанных в соавторстве, в которых автором получены все основные экспериментальные результаты, выполнены соответствующие расчеты физических параметров, проведена интерпретация экспериментальных данных. Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков. Библиография включает 110 наименования. Общий объем диссертации 133 страницы.
