Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 12
1.1. Физические свойства кристалла триглицинсульфата 13
1.2. Влияние дейтерирования на свойства сегнетоэлектрических кристаллов. Дейтерированный аналог кристалла ТГС 21
1.3. Диэлектрические свойства облученных и примесных кристаллов ТГС и ДТГС 24
1.4.ГТроцессы переполяризации в сегнетоэлектриках 29
1.5. Радиационные дефекты 38
1.5.1. Явления, наблюдаемые при электронной бомбардировке твердых тел 40
1.5.2. Электронное воздействие на сегнетоэлектрические кристаллы 42
1.6.Сильноточное импульсное электронное облучение 51
1.6.1. Применение импульсного сильноточного источника электронов и ионов в экспериментах по облучению и модификации свойств твердых тел 52
Постановка задачи . 55
Глава II. Экспериментальные установки. Методики обработки результатов.56
2.1. Метод эффекта Баркгаузена 56
2.2. Экспериментальная установка для получения электронных и ионных пучков 57
2.3. Установка для исследования релаксации диэлектрической проницаемости в кристаллах ТГС при коммутации внешнего электрического поля 59
2.6. Погрешности измерений 62
ГЛАВА III. Экспериментальные результаты исследования влияния облучения сильноточным импульсным пучком электронов на пере поляризацию кристаллов ТГС и ДТГС, их обсуждение и выводы 63
3.1. Релаксация диэлектрической проницаемости при коммутации внешнего электрического ПОЛЯ 63
3.2. Влияние облучения импульсным пучком электронов на процессы переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС 66
3.2.1. Исследование влияния облучения СЭП на релаксационные процессы в кристаллах ТГС методом эффекта Баркгаузена 67
3.2.2. Исследование влияния облучения СЭП на динамику доменной структуры кристаллов ТГС и ДТГС методом эффекта Баркгаузена 70
3.3. Расчет функции распределения времен релаксации 80
3.3.1. Результаты расчета функции распределения времен релаксации 82
3.4. Теоретическое описание процессов переполяризации 86
Список литературы 96
Приложение 1 114
- Диэлектрические свойства облученных и примесных кристаллов ТГС и ДТГС
- Применение импульсного сильноточного источника электронов и ионов в экспериментах по облучению и модификации свойств твердых тел
- Установка для исследования релаксации диэлектрической проницаемости в кристаллах ТГС при коммутации внешнего электрического поля
- Исследование влияния облучения СЭП на релаксационные процессы в кристаллах ТГС методом эффекта Баркгаузена
Введение к работе
Актуальность темы. Сегнетоэлектрики — вещества, у которых в отсутствии внешнего электрического поля в некотором диапазоне температур возникает спонтанная поляризация, — представляют обширную группу соединений и твердых растворов, обладающих огромным спектром характерных явлений и разнообразными физическими свойствами. Они используются для изготовления радиотехнических конденсаторов, электромеханических преобразователей и являются практически единственными материалами для гидроакустических устройств, пироэлектрических приемников инфракрасного излучения, устройств обработки и хранения информации, радио-, акусто- и оптоэлектроники, динамических элементов памяти и логических элементов ЭВМ [1,2], диэлектрических усилителей, частотных модуляторов, диэлектрических устройств в области сверхнизких температур. Сегнетоэлектрики особенно эффективны при работе в условиях, требующих высокой радиационной стойкости. Их универсальность связана с использованием основных свойств: высокой диэлектрической проницаемости, большой пьезоэлектрической активности, диэлектрической и оптической нелинейности, спонтанной поляризации и пироэлектрического эффекта.
Наиболее распространенные сегнетоэлектрические кристаллы принадлежат семейству триглицинсульфата (ТГС), широко применяющегося в пироэлектрических видиконах, а также высокочувствительных телевизионных передающих трубках с пироэлектрической мишенью, в которых считывание сигнала происходит видиконным способом [3]. Хорошие технические характеристики в сочетании с отсутствием селективности по широкому диапазону детектируемых частот обеспечивают большие возможности использования пироприемников, которые нашли применение при визуализации теплопотерь в электрической аппаратуре, а также в медицинских исследованиях.
Свойства сегнетоэлектриков в значительной степени определяются концентрацией и типом дефектов и примесей, содержащихся в кристалле, их расположением в кристаллической решетке и характером взаимодействия между собой. Введение в кристаллическую структуру разного рода допирующих элементов, а также воздействие на кристаллы различными типами ионизирующего излучения существенно влияют на их переключение [4-6]. Эволюция сегнетоэлектрической доменной структуры при переполяризации представляет собой сложный процесс зарождения, роста и слияния множества отдельных доменов. Особую роль в исследовании процессов переключения играет анализ скачков Баркгаузена, которые обычно связывают с образованием зародышей, сквозным прорастанием отдельных доменов и взаимодействием доменных стенок с дефектами. Под влиянием различных внешних воздействий (механических напряжений, освещения, ультразвука, у-облучения и др.) доменная структура и характер ее перестройки существенно изменяются.
Появление оптических квантовых генераторов, а затем ускорителей сильноточных импульсных пучков электронов (СЭП) и мощных импульсных пучков ионов (МИП) создало уникальную возможность получения новых видов воздействий концентрированных потоков энергии на материалы. Они включают одновременно радиационное, тепловое и механическое воздействия. Радиационно- стимулированные процессы имеют сложную физическую природу, связанную с особенностями трансформации и аккумуляции поглощенной энергии.
В настоящее время существует мало литературных данных по результатам исследования влияния сильноточных импульсных пучков электронов на процессы переключения сегнетоэлектрических кристаллов ТГС и его дейтерированного аналога ДТГС. Следует отметить, что работы, проводимые по модификации материала сильноточным импульсным пучком электронов, представляют большой интерес как в фундаментальном, так и прикладном плане [7]. В связи с этим исследование процессов переполяризации кристаллов группы ТГС, облученных сильноточным импульсным пучком электронов, является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является комплексное исследование процессов переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС, облученных сильноточным импульсным пучком электронов.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие основные задачи:
Исследовать влияние облучения СЭП на процессы переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС методом эффекта Баркгаузена.
Исследовать релаксационные зависимости диэлектрической проницаемости и числа скачков Баркгаузена в необлученных и облученных кристаллах ТГС при коммутации приложенного к образцу электрического поля, а также влияние внешних воздействий на протекание процессов переполяризации этих кристаллов.
Разработать методику расчета функции распределения времен релаксации процесса переполяризации в кристаллах ТГС.
С помощью теоретической модели обосновать влияние электронного облучения на процессы переполяризации монокристаллов ТГС и ДТГС.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны перспективные для преобразователей инфракрасного излучения сегнетоэлектрики: триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3-H2S04 и его дейтерированный аналог (ND2CD2COOD)3-D2S04, необлученные и облученные сильноточным импульсным пучком электронов. Монокристаллы ТГС и ДТГС выращены в Институте кристаллографии РАН и на Ловозерском горно-обогатительном комбинате. Облучение образцов проводилось на импульсном сильноточном источнике электронов и ионов (ИСИЭИ) в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований (ЛФЧ ОИЯИ), г. Дубна.
Научная новизна. В данной работе впервые:
С помощью высокочувствительного метода эффекта Баркгаузена исследовано влияние сильноточного импульсного электронного облучения на процессы переключения кристаллов ТГС и ДТТС.
Методом регуляризации Тихонова получены спектры распределения времен релаксации в кристаллах ТГС. В предположении, что процесс релаксации поляризации является термоактивационным, рассчитана ширина распределения энергии барьеров. Показано, что облучение сильноточным импульсным пучком электронов приводит к увеличению интервала распределения энергии барьеров.
Исследовано влияние сильноточного импульсного электронного облучения на временные зависимости числа скачков Баркгаузена в кристаллах ТГС. Показано, что данные зависимости хорошо -[ - ] , где т и 0<а<1 - константы. аппроксимируются законом iV~l-exp
Установлено, что увеличение внешнего коммутируемого электрического поля оказывает ускоряющее действие на процессы переполяризации как необлученных, так и облученных кристаллов ТГС.
Практическая ценность результатов работы заключается в воз.можности использования разработанных экспериментальных и теоретических методов для исследования релаксационных явлений в твердых телах. Впервые полученные результаты углубляют представления о влиянии облучения СЭП на сегнетоэлектрические свойства кристаллов и процессы их переключения под воздействием электрического поля и могут быть применены при производстве современных электронных приборов. Установленные закономерности влияния электронного воздействия на физические свойства кристаллов ТГС могут быть использованы в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями свойств кристаллической и доменной структуры облученных сегнетоэлектрических кристаллов, ее кинетикой и моделированием процессов переполяризации. Также они представляют интерес для практического применения в электронике и радиотехнике и могут быть учтены при разработке пироэлектрических приемников, ИК-детекторов, пировидиконов, запоминающих устройств, температурных датчиков.
Тематика работы соответствует «перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - «физика конденсированных состояний вещества»). Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики сегнето-и пьезоэлектриков, грантов Минобразования России по научной программе 015 «Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России» (Проект № УРО 1.01.053 - «Фундаментальные исследования влияния реальной структуры на гистерезисные и другие физические свойства перспективных сегнетоэлектрических материалов»; №015.01.01.065 — «Теоретические и экспериментальные исследования гистерезисных и других физических свойств перспективных сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов»), при поддержке стипендии Президента Российской Федерации.
Основные положения, выносимые на защиту.
Облучение кристаллов ТГС и ДТГС сильноточным импульсным пучком электронов существенно влияет на процессы их переключения. С увеличением значения флюенса электронов интегральное число скачков Баркгаузена возрастает для обоих кристаллов ТГС и ДТГС. Рост температуры приводит к уменьшению интегрального числа скачков Баркгаузена как для необлученных, так и облученных сильноточным импульсным пучком электронов исследованных сегнетоэлектриков.
Релаксационные процессы, наблюдаемые при переполяризации как необлученных, так и облученных сильноточным импульсным пучком электронов сегнетоэлектрических кристаллов ТГС, описываются эмпирическим законом Кольрауша.
Увеличение внешнего коммутируемого электрического поля оказывает ускоряющее действие на процессы переполяризации как необлученных, так и облученных кристаллов ТГС.
С помощью метода регуляризации Тихонова получены спектры распределения времен релаксации для необлученных и облученных сильноточным импульсным пучком электронов кристаллов ТТС. Установлено, что увеличение внешнего электрического поля приводит к уменьшению степенного параметра а в законе Кольрауша, что в свою очередь способствует изменению спектра распределения времен релаксации.
Облучение сильноточным импульсным пучком электронов кристаллов ТГС приводит к изменению ширины распределения энергии потенциальных барьеров.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 9 статьях, опубликованных в центральной и межвузовской печати, и 16 тезисах конференций.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом исследований, проводимых на кафедре физики сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков ТвГУ. Постановка задачи исследования, анализ и обобщение данных, а также формулировка выводов выполнены совместно с научным руководителем - кандидатом физико-математических наук, профессором В.В. Ивановым. Все основные экспериментальные результаты по исследованию влияния электронного облучения на процессы переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС получены соискателем. Им же выполнены соответствующие расчеты физических параметров, разработана методика расчета спектров времен релаксации с помощью метода регуляризации Тихонова, смоделирован процесс переполяризации с учетом движения плоской доменной стенки.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
IX, X, XI Национальных конференциях по росту кристаллов г. Москва, НКРК-2000, НКРК-2002, НКРК-2004; The International Jubilee Conference " Single crystals and their application in the XXI century - 2004 " VNIISIMS, Alexandrov, Russia. June, 2004; YI Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение», ВНИИСИМС, Александров. Сентябрь, 2003;
П Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященная памяти М.П.Шаскольской, МИСИС, Москва. Октябрь, 2003;
Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Москва. Ноябрь, 2003; XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, ВКС-XVI, Тверь. Сентябрь, 2002; V Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение», ВНИИСИМС, Александров. Сентябрь, 2001; The Third International Seminar on Relaxor Ferroe lee tries. Dubna, Russia. 2000; The Sixth International Symposium on Ferroic Domains and Mesoscopic Structures, China. 2000;
9-й Международной конференции «Диэлектрики-2000», ICD-2000, СГПУ, Санкт-Петербург. 2000; VI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-6, Томск. Апрель, 2000; XX Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах", Воронеж. 1999;
Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах»-ПАРЗ-10, Тула. Ноябрь, 2001. XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, Пенза. Июнь, 2005. VT Международной конференции "Рост монокристаллов и тепломассоперенос", ICSC-2005, Обнинск. Сентябрь, 2005. Публикации
Основные результаты исследований отражены в 9 статьях, опубликованных в центральной и межвузовской печати, и 16 тезисах.
Личный вклад автора
Постановка задачи исследования, анализ и обобщение данных, а также формулировка выводов выполнены совместно с научным руководителем-кандидатом физико-математических наук, профессором В.В.Ивановым. Все основные экспериментальные результаты по исследованию влияния электронного облучения на процессы переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС получены автором. Им также выполнены соответствующие расчеты физических параметров, разработана методика расчета спектров времен релаксации с помощью метода регуляризации Тихонова, смоделирован процесс переполяризации с учетом движения плоской доменной стенки.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и библиографии. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 39 рисунков и 3 таблицы. Библиография включает 173 наименования.
Содержание работы:
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе представлен обзор известных результатов исследований диэлектрических, оптических и структурных свойств кристаллов ТГС, ДТГС чистых, а также допированных разного рода примесями и облученных у- и рентгеновскими лучами, стационарными, а также мощными импульсными потоками электронов. Приведен обзор литературы по исследованию процессов переключения сегнетоэлектрических кристаллов. Описаны источники СЭП и МИП. На основе анализа литературных данных сформулированы задачи исследований.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик проводимых исследований. Рассмотрены методы анализа и интерпретации экспериментальных результатов, в том числе метод расчета распределения времен релаксации.
В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования процессов переполяризации кристаллов ТГС и ДТГС, необлученных и облученных сильноточными импульсными электронами, приведен расчет спектра распределения времен релаксации для кристаллов ТГС. Представлена интерпретация полученных результатов.
Основные научные результаты, полученные в работе, сформулированы в 7 выводах.
Диэлектрические свойства облученных и примесных кристаллов ТГС и ДТГС
Многообразие свойств ТГС во многом определяется структурными дефектами, возникающими под действием как ионизирующего облучения (рентген, гамма-лучи, электроны, нейтроны), так и при имплантации различного рода примесей. К ним можно отнести соединения с различной валентностью (Сг3+, Ni2+, Со2+,..., аланин, дейтерий, редкоземельные элементы, органические и неорганические ионы). Присутствие в ТГС различных ростовых и радиационных дефектов приводит к существенным изменениям структуры, а также диэлектрических, оптических, пироэлектрических и пьезоэлектрических свойств кристаллов. Например, в работах [57,58] обнаружены аномальное поведение температурной зависимости диэлектрической проницаемости, ее максимального значения в области фазового перехода (ФП), величины спонтанной поляризации, константы Кюри, а также трансформации параметров доменной структуры, подвижности доменных стенок, поля и энергии активации.
В работе [59] низкочастотную дисперсию диэлектрической проницаемости в диапазоне частот 104 - 105 связывают с неконтролируемыми дефектами, которые локально нарушают симметрию кристаллической решетки и могут быть отнесены к дефектам типа "случайное поле". Большое количество работ [40,60-77], проводимых по исследованию воздействия давления, радиации, допирования ТГС, имеет большое значение не только с академической точки зрения, но и представляет немаловажный практический интерес. Радиационное облучение, внедрение как органических, так и неорганических добавок в кристаллическую решетку кристалла и ряд других методов стали незаменимыми способами получения материалов с заданными свойствами.
Остановимся на некоторых из них. Самыми ранними являются работы И.С.Желудева [60] и A.G.Chynoweth [61] по облучению ТГС гамма- и рентгеновским излучением. Проведенные ими диэлектрические измерения показали частичное разупорядочение идеальной сегнетоэлектрической структуры, уменьшение величины спонтанной поляризации, увеличение степени размытости ФП, понижение максимального значения диэлектрической проницаемости и смещение максимума кривой є (Т) в сторону низких температур в зависимости от доз гамма-облучения. И, как следствие, зафиксировано ослабление переключательной способности облученного образца. Авторами [62] обнаружена асимметрия петли диэлектрического гистерезиса ТГС (например, рис. 1.4), увеличение коэрцитивного поля, что, по их мнению, связано с возникновением дополнительных внутренних полей, вызванных появлением радиационных дефектов, трансформирующих доменную структуру.
По мнению авторов, вышерезультаты частичным закреплением доменных стенок на радиационных дефектах [63]. Рис.1.4. Смещенные петли гистерезиса, Следствием этого процесса которые могут возникнуть из-за наличия является уменьшение Ps и дефектов в сегнетоэлектрическом кристалле [4] увеличение коэрцитивного ПОЛЯ.
Последующий отжиг кристаллов при температуре выше Тс приводит к полному восстановлению первоначального состояния. Кроме модификации диэлектрических характеристик при исследовании облученного ТГС наблюдалось появление полос на краю оптического спектра поглощения [64]. Полученный эффект авторы связывают с появлением полос в запрещенной зоне электростатической энергии взаимодействия между диполями примесного кластера и ионом глицина.
Другая серия работ посвящена исследованию доменной структуры кристалла ТГС, подвергнутого гамма-облучению как выше, так и ниже точки Кюри. W.Buotin, B.G.Frazer, E.J. Iona [65] и K.Okada, J.A.Gonzalo, M.Rivera [66] наблюдали стабилизацию доменной структуры при облучении ТГС в сегнетофазе. Дальнейший отжиг выше Тс приводил к восстановлению первоначального состояния, облучение ниже точки Кюри показало отсутствие нанодоменных областей при охлаждении кристалла и переходе в сегнетофазу.
Б.А.Струковым, С.А. Тараскиным и А.Б.Сувхановым [58] показано, что при низких дозах у-облучения кристаллов ТГС — 4 Mr наиболее чувствительным параметром к концентрации присутствующих дефектов является коэрцитивное поле. Величина Ps начинает изменяться при более высоких дозах облучения из-за ее низкой чувствительности к структурным дефектам. При D 4Mr наблюдалось одновременно значительное размытие ФП и сдвиг точки Кюри в сторону низких температур, а также уменьшение константы Кюри, что, по мнению авторов, связано с уменьшением количества сегнетоэлектрических активных диполей, разрывом водородных связей и образованием стабильных свободных радикалов. При этом с ростом дозы облучения в кристаллах ТГС происходит изменение типа ФП.
Эффект инжекции пучка электронов в кристалл ТГС с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) при различных режимах ускоряющего напряжения подробно описан в работах А.А. Согра с соавторами [74-76]. Ими показано, что увеличение плотности инжектируемого электронного разряда (0,7-10" Кл-м" ; Е 15 кэВ) вглубь кристалла может приводить к появлению макроскопических внутренних полей, сравнимых с величиной коэрцитивного поля. Поэтому, по мнению авторов, заряд способен вызвать интенсивные процессы перестройки доменной структуры, обусловленные, по-видимому, появлением зарядов на доменных стенках. Накопление инжектированного заряда приводит к возникновению униполярности приповерхностного слоя кристалла.
Применение импульсного сильноточного источника электронов и ионов в экспериментах по облучению и модификации свойств твердых тел
Эффект пиннинга солитонов на кристаллической решетке, примесях и дефектах наиболее существенно проявляется вблизи Тс1, когда амплитуда несоразмерной модуляции достигает насыщения, расстояние между солитонами достаточно велико, а взаимодействие между ними мало. Кинетику перехода из НФ в СФ в кристалле с дефектами можно представить следующим образом: положение солитонов, разделяющих соразмерные области, на которые разбивается кристалл вблизи ТС], фиксируется дефектами. Распределение поляризации в этом случае определяется пространственным распределением дефектов. Переход в СФ при понижении температуры происходит в низкотемпературной области НФ, где влияние дефектов в результате слабого взаимодействия между солитонами становится доминирующим. Температура этого перехода, по-видимому, определяется равенством энергии взаимодействия между солитонами и энергии закрепления солитонов дефектами. При возрастании температуры взаимодействие между солитонами становится преимущественным. При увеличении концентрации дефектов солитонная структура сильнее закрепляется на дефектах. Для установления равновесного состояния ("деппинга") необходимо повышение энергии взаимодействия между солитонами, которое достигается повышением температуры перехода, что и наблюдается экспериментально (рис. 1.10).
Таким образом, при приближении к точке перехода НФ СФ в области Т ТС взаимодействие локальных полей дефектов, индуцированных облучением, с волной несоразмерных смещений становится решающим фактором, который приводит к пиннингу солитонов на дефектах. Как следствие, с возрастанием концентрации дефектов наблюдается повышение температуры перехода Tcj для (ДМА СиСЬ. Такой же эффект наблюдается в кристаллах Rb2ZnBr4 и (ДМА)2СиСЦ [147] под действием у-облучения. По-видимому, подобное поведение температуры ФП НФ СФ свойственно и для других сегнетоэлектрических кристаллов с НФ и различной степенью дефектности, что объясняется взаимодействием солитонов с дефектами кристаллической решетки. Как видно из рис. 1.10, аномалия в области Ts275K исчезает под действием электронного облучения. Размытие этой аномалии связано с уменьшением подвижности солитонов вследствие пиннинга на дефектах, что приводит к уменьшению вклада в Ср (Т). Аналогичный эффект был получен при у-облучении этого же кристалла [147].
Следует отметить, что стационарное облучение керамики PLZT электронами, нейтронами, у-квантами не приводит к подобным структурным изменениям, которые авторы [148] наблюдали в случае облучения мощными импульсными потоками электронов с длительностью х = 300 не. Высказывается предположение о возможном механизме структурных изменений, связанных с радиационным отжигом в области проникновения импульсных электронов, где, как было рассчитано, температура достигает 1700С. Кроме того, происходит накопление электронов в образце. Учитывая, что пробег электронов Rg с энергией Ее-250 кэВ составляет 100 мкм, а также размножение электронов за счет ионизационных потерь, оценивается плотность электронов, возникших при прохождении первичного пучка. Она составляет для импульса электронов с током 1е=1000 А, т=300 не, пе=(5-И 0)-1021 эл-см , что может быть сравнимо с плотностью заряженных дефектов в решетке PLZT керамики. Влияние содержания лантана на структурную перестройку при импульсном облучении может заключаться в изменении времени жизни носителей заряда, и поэтому приводит к разной плотности накапливаемого заряда, что ведет соответственно к появлению внутренних электрических полей в сегнетоэлектрике. Кроме того, предполагается, что происходит высокотемпературный отжиг точечных дефектов и вакансий на глубине проникновения импульсных электронов.
Большое количество работ [149-156] посвящено исследованию влияния импульсного электронного облучения на пленки высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и металлов. В частности, в [149] С.А. Кореневым, В.В. Сиколенко и др. проведено экспериментальное исследование воздействия сильноточных импульсных пучков электронов и ионов углерода на высокотемпературные сверхпроводники Y-Ba-Cu-O, Bi-Ca-Sr-Cu-O. Показано, что поверхностный переплав образцов приводит к созданию условий для защиты этой керамики от деградации. Результаты рентгеноструктурного анализа показали отсутствие аморфизации ВТСП. Выделение тепла идет на довольно большой глубине пробега (70 и 140 мкм). Поверхностный проплав приводит не только к уменьшению интегрального сопротивления высокотемпературных сверхпроводников, но и увеличению критического тока. Этот результат авторы объясняют созданием «монолитного» токонесущего слоя. Необходимо отметить, что в данной работе учитывается интегральный эффект изменения сопротивления, так как модификация образца происходит на глубине пробега электронов, меньшей толщины образца. Аморфизация образцов при электронном облучении не наблюдается, а это приводит к возможности использования высокотемпературных сверхпроводников в технологических исследованиях этих материалов.
Открытие "взрывной эмиссии" электронов и ионов произвело коренной переворот в физике и технике сильноточных пучков. Это единственный вид электронной эмиссии, который позволяет получать потоки электронов мощностью до 1013 Вт с плотностью тока до 109 А-см"2. На базе "взрывной электронной и ионной эмиссии" создаются сильноточные импульсные электронные и ионные источники [157-159] для проведения исследований в области радиационных технологий, физике твердого тела, модификации материалов [160-163] и т. д.
Основными параметрами таких ускорителей являются состав пучка, энергия частиц, интенсивность и длительность облучения. Значениями этих параметров, условиями облучения и свойствами материала определяются скорости нагрева, охлаждения, плавления и испарения материала, абляция поверхностных слоев, термические напряжения, генерация упругих и ударных волн. Указанные процессы обусловливают модификацию свойств материалов не только в поверхностных слоях, но и на глубинах, на порядки превышающих пробеги частиц пучка, т.е. возникают эффекты дальнодействия [151,153,164].
Установка для исследования релаксации диэлектрической проницаемости в кристаллах ТГС при коммутации внешнего электрического поля
Наличие в сегнетоэлектриках в определенном интервале температур спонтанной поляризации, которая может быть реориентирована приложенным внешним электрическим полем, является отличительной особенностью этих кристаллов. Значительный интерес в таких объектах представляют релаксационные явления, происходящие после различных внешних воздействий (электрического поля, изменения температуры, механических напряжений). Для этих систем характерно множество метастабильных состояний и, как следствие, медленная релаксация к термодинамическому равновесию. Перестройка доменной структуры является причиной изменения во времени (релаксации) различных физических величин: диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, пирокоэффициента и т.д. Нами было проведено исследование релаксации диэлектрической проницаемости, наблюдаемой при коммутации внешнего электрического поля.
Установлено, что при коммутации электрического поля временная зависимость диэлектрической проницаемости ТГС носит немонотонный характер. Сначала, в течение короткого промежутка времени, є возрастает до єт, а затем медленно спадает до равновесного значения єг . Возрастание є происходит в промежутке времени от одной секунды до нескольких минут в зависимости от температуры (Т), величины и направления внешнего поля (Е), а все переключение (также в зависимости от внешних условий) - от 1 до 30 мин. Такое поведение є наблюдалось при температурах ниже точки Кюри (Тс). В области температур выше Тс диэлектрическая проницаемость после коммутации поля не изменялась. Естественно предположить, что изменение є со временем после коммутации внешнего поля связано с перестройкой доменной структуры.
Как показали экспериментальные данные (рис.3.1) для одного направления внешнего электрического поля Ее начальное ES] И максимальное Бщ] значение емкости больше, чем для другого es2, sm2, и наоборот: установившееся значение БГ] меньше, чем єі2. Такое различие может быть связано с действием в униполярных кристаллах внутреннего поля. Для реальных кристаллов протекание процессов переполяризации зависит от температуры, величины и направления внешнего электрического поля по отношению к внутреннему.
Наибольшее влияние на процессы пере поляризации внутреннее поле оказывает в малых внешних полях (рис.3.1). С ростом напряженности внешнего переполяризующего поля влияние внутреннего поля ослабевает, что показано на рис.3.2. При увеличении напряженности внешнего электрического поля время переключения сегнетоэлектрического кристалла убывает. На рис.3.3 показаны временные зависимости є, полученные для трех различных значений внешнего коммутируемого поля, приложенного к кристаллу ТГС. На рис.3.4 показано влияние температуры на временную зависимость є для кристаллов ТГС. При возрастании температуры возрастает ег, гт и скорость, с которой кристалл стремится к новому положению равновесия.
Эволюция сегнетоэлектрической доменной структуры при переполяризации кристалла представляет собой сложный процесс зарождения, роста и слияния множества отдельных доменов. Особую роль в исследовании процессов переключения играет анализ скачков Баркгаузена, которые обычно связывают с образованием зародышей, сквозным прорастанием отдельных доменов и взаимодействием доменных стенок с дефектами. Под влиянием различных внешних воздействий (механических напряжений, освещения, ультразвука, у-облучения и др.) доменная структура и характер ее перестройки существенно изменяются.
В работах А.А.Согра [74-76] выдвигается предположение, что при облучении образцов ТГС электронным зондом растрового электронного микроскопа (РЭМ) с энергией (15-Т-40) кэВ электроны инжекции возможно создают в образце локализованный электрический заряд, что влияет на диэлектрические и переполяризационные свойства исследуемых кристаллов.
Движение доменной границы в кристалле с дефектами аналогично движению границы в дополнительном потенциальном рельефе. Облучение кристаллов сегнетоэлектрика приводит к изменению этого потенциального рельефа.
Были проведены исследования процессов переполяризации кристаллов ТГС при коммутации внешнего электрического поля. На рис.3.5-3.8 представлены временные зависимости числа скачков Баркгаузена. Из этих графиков видно, что увеличение внешнего электрического поля оказывает ускоряющее действие на процессы переполяризации как необлученных, так и облученных кристаллов ТГС. Общее число скачков Баркгаузена при этом увеличивается (рис.3.8). Рост величины флюенса электронов приводит к росту времени релаксации переполяризации. По-видимому, этот рост времени релаксации можно связать с дроблением доменной структуры и с увеличением числа доменных стенок [167], взаимодействие которых с радиационными дефектами приводит к тому, что время установления нового равновесного состояния при переполяризации кристалла увеличивается.
Исследование влияния облучения СЭП на релаксационные процессы в кристаллах ТГС методом эффекта Баркгаузена
На рис.3.9 представлены интегральные кривые распределения числа скачков Баркгаузена от напряженности приложенного поля при изменении электрического состояния образца методом ступеней по восходящей ветви петли гистерезиса рис.3.9а и нисходящей - рис.3.96 для кристаллов ДТГС необлученного (кривая 1) и облученного импульсным пучком электронов (кривые 2-5). Как видно из рис.3.9, облучение импульсным пучком электронов оказывает существенное влияние на интегральное число скачков Баркгаузена и значение поля старта. Воздействия облучения импульсным пучком электронов приводит к уменьшению поля старта скачков Баркгаузена от Ест = -150 В-см"1 (для необлученного кристалла) до Ест = -40 В-см"1 (для кристалла, облученного импульсным пучком электронов с флюенсом равным 150-Ю15 электрон-см"2) при изменении электрического поля методом ступеней от "- Емакс" ДО "+ Емакс"- Напротив, при изменении электрического поля методом ступеней от "+ Емакс" до " -Емакс" поле старта возрастает от Ест = +350 В-см 1 (для необлученного кристалла) до Ест = +500 В-см 1 (для кристалла, облученного импульсным пучком электронов с флюенсом равным 150-10 электрон-см ). Такое влияние электронного облучения на поле старта свидетельствует об увеличении степени воздействия внутреннего поля на процессы переполяризации кристалла ДТГС.
Кривые на рис.3.10 представляют собой зависимость интегрального числа скачков Баркгаузена от величины флюенса электронов. Видно, что с увеличением флюенса электронов (от 0 до 400-I015 электрон-см") для кристаллов ДТГС интегральное число скачков Баркгаузена сначала растет до 70-Ю15 электрон-см"2, а при дальнейшем увеличении флюенса - уменьшается. Увеличение интегрального числа скачков Баркгаузена, наблюдаемое для монокристаллов ДТГС, с ростом величины флюенса электронов до 70-10 электрон-см , по-видимому, обусловлено образованием точечных заряженных дефектов под воздействием облучения импульсным пучком электронов. Исходя из результатов работы [167], можно предположить, что такими дефектами являются радикалы: CD2COOD, образующиеся на глицине I, и ND3+CDC02\ формирующиеся на глицинах II и III. Оба указанных радикала стабилизируют направление полярности в домене. При этом, по-видимому, происходит закрепление части доменных стенок, что приводит к уменьшению интегрального числа скачков Баркгаузена при облучении импульсным пучком электронов с флюенсом от 150-Ю15 электрон-см до 400-Ю15 электрон-см"2, когда концентрация этих радикалов становится критичной.
Исследовано влияние облучения импульсным пучком электронов кристаллов ТГС на полевые зависимости числа скачков Баркгаузена. На рис.3.11-3.13 представлены зависимости числа скачков Баркгаузена от напряженности электрического поля для монокристаллов ТГС, облученных сильноточным импульсным пучком электронов. Как видно из рисунков 3.11-3.13 характер кривых распределения числа скачков по полю для облученных кристаллов такой же, как и для необлученных.
Воздействие облучения (рис.3.11) импульсным пучком электронов приводит к уменьшению поля старта скачков Баркгаузена от Ест = -30 В-см"1 (для необлученного кристалла) до Ест = -10 В-см"1 (для кристалла, облученного импульсным пучком электронов с флюенсом равным 60-1015 электрон-см"2) при изменении электрического поля методом ступеней от "+ Емакс" до " - Емакс", а при изменении электрического поля методом ступеней от "- Емакс" до "+ Емакс" поле старта возрастает от E„ = +15 В-см"1 (для необлученного кристалла) до ECT = +40 В-см" (для кристалла, облученного импульсным пучком электронов с флюенсом равным 60-1015 электрон-см 2). По-видимому, такое влияние электронного облучения на поле старта свидетельствует об увеличении воздействия внутреннего поля на процессы переполяризации кристаллов ТГС. Результаты, представленные на рис.3.11, соответствуют температуре образца 25С. Аналогичные зависимости наблюдаются и при других значениях температуры, вплоть до 40С (рис.3.12). При дальнейшем увеличении температуры образца поле старта скачков Баркгаузена под воздействием облучения сильноточным импульсным пучком электронов существенно не изменяется (рис.ЗДЗ).
Проведено исследование влияния электронного облучения на интегральное число скачков Баркгаузена. Соответствующие зависимости интегрального числа скачков Баркгаузена от значения флюенса электронов для монокристаллов ТГС, полученные при облучении импульсным пучком электронов при различных температурах, представлены на рис.3.14-16. Как видно из рис.3.14-16 с увеличением значения флюенса от 0 до 60-Ю15 электрон-см"2 интегральное число скачков Баркгаузена при переключении кристаллов ТГС методом ступеней увеличивается. Аналогичные зависимости наблюдаются во всем исследуемом интервале температур. По-видимому, с увеличением значения флюенса электронов в кристаллах ТГС растет число дефектов, что приводит к увеличению центров зародышеобразования новых доменов и, как следствие, - к росту числа скачков Баркгаузена. Из сравнения результатов воздействия сильноточного импульсного пучка электронов на процессы переполяризации монокристаллов ТГС и ДТГС видно, что в интервале значений флюенса электронов от 0 до 70-10 электрон-см" для обоих кристаллов наблюдается рост интегрального числа скачков Баркгаузена.
Результаты исследования влияния сильноточного импульсного пучка электронов на температурную зависимость интегрального числа скачков Баркгаузена для монокристаллов ТГС представлены на рис.3.17. Эти данные свидетельствуют об уменьшении переполяризующегося объема сегнетоэлектрического кристалла ТГС. Как видно из сравнения зависимостей, представленных на рис.3.17, облучение импульсным пучком электронов приводит к увеличению интегрального числа скачков Баркгаузена во всем исследованном интервале температур. Температурная зависимость интегрального числа скачков Баркгаузена необлученных монокристаллов ТГС аналогична соответствующей зависимости облученных монокристаллов ТГС (рис.3.17).
