CC BY
19Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Садыков С.А., Агаларов А.Ш., Билалов Б.А. Диэлектрическая релаксация в поликристаллических твердых растворах SiC-AlN
УДК 541.123.2:666.3
Г.К. Сафаралиев, Ш.Ш. Шабанов, С.А. Садыков, А.Ш. Агаларов, Б.А. Билалов
Диэлектрическая релаксация в поликристаллических твердых растворах SiC-AlN
Дагестанский государственный университет^И^аЬап@уапёех. ru
Исследованы диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в поликристаллических твердых растворах SiC-AlN от состава и частоты. Установлено, что при концентрации (3050) % вес. AlN наблюдаются аномально высокие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь при низких частотах (0,1 кГц). Показано, что рост диэлектрической проницаемости может быть связан с барьерным эффектом на границах зерен карбида кремния и нитрида алюминия, а также с миграционной поляризацией.
Ключевые слова:керамика, карбид кремния, нитрид алюминия, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери.
The dielectric constant and the loss-angle tangent in polycrystalline SiC-AlN solid solutions on the composition and on frequency are investigated. It is found out that at concentration of AlN (30-50)% the anomalously high values of dielectric constant and loss-angle tangent at low frequencies (0,1 kHz) is observed. It is shown that the dielectric constant growth can be connected with the barrier effect on grain's borders of silicon carbide and aluminium nitride, and also nith the interlayer polarization.
Keywords: ceramics, silicon carbide, aluminium nitride, dielectric constant, the dielectric losses.
Введение
Поликристаллические твердые растворы на основе карбида кремния с соединениями А3В5 и А2В6 обладают уникальным сочетанием теплофизических и электрофизических свойств.Интерес представляет система SiC-AlN. Это связано с существованием непрерывного ряда твердых растворов в этой системе, позволяющих получить широкий спектр свойств материалов на их основе [1]. Изучены структура, фазовые соотношения, механические и тепловые свойства в керамике SiC-AlN [2-4]. Несмотря на значительные успехи в изучении структурных, упругих, теплофизическихсвойств, диэлектрические свойства этих материалов исследованы недостаточно. В [5] было установлено, что твёрдые растворы в системе (SiC)i-x(AlN)x при определённых концентрациях могут иметь аномально высокие значения диэлектрической проницаемости. Однако физические механизмы такой аномальности одназночно не установлены. С этой целью в настоящей работе продолжены исследования концентрационной и частотной зависимостей диэлектрических свойств твердых растворов SiC-AlN в диапазоне частот от 0,1 кГц до 1 МГц.
Методика эксперимента
Для получения керамики SiC-AlN использовался зелёный порошок карбида кремния и плазмохимического порошка нитрида алюминия со средней дисперсностью 2,4 и 1 мкм соответственно. Порошки смешивались в следующих соотношениях: 0,9SiC - 0,1AlN; 0,7SiC -0,3AlN; 0,5SiC - 0,5AlN; 0,3SiC - 0,7AlN; 0,1SiC - 0,9AlN и подвергались процессу горячего прессования в среде N2 при температурах 2000-2170 К и давлении до 35 МПа в течение 1 часа. Плотность полученных образцов была измерена методом гидростатического взвешивания и составляла 3,21 г/см3.
Диэлектрическая проницаемость керамики определялась на образцах диаметром 10 мм и толщиной 1мм.Электроды наносились методом вжигания серебряной пасты. Измерения диэлектрических свойств проводились с помощью моста Е7-20.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлены частотная и концентрационная зависимости диэлектрической проницаемости керамических образцов системы SiC-AlN. Результаты измерений подтверждают тот факт, чтомаксимального значения диэлектрическая проницаемость достигает у составов, содержащих (30-50)% вес. AlN, она особенно заметна в области низких частот. Ранее было по-
Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Садыков С.А., Агаларов А.Ш., Билалов Б.А. Диэлектрическая релаксация в поликристаллических твердых растворах БЮ-АШ
казано [3, с. 34], что именно у этих составов наблюдаются и максимальные значения микротвердости, предела прочности на изгиб и трещиностойкости. Улучшение механических свойств при этих концентрациях АВД связывают со структурной перестройкой в керамике а
именно - с разрывом карбидных цепочек при увеличении АВД.
Значительный рост диэлектрической проницаемости е в указанной концентрационной области АВД для гетерогенных составов 8Ю-АВД может быть следствием нескольких факторов. Наиболее вероятным представляется образование р-п переходов на границах зерен и изменение их концентрации при варьировании процентного содержания АВД. Действительно, алюминий, диффундируя в зерна 81С и действуя как акцептор, может компенсировать доноры - атомы азота, и тем самым уменьшать концентрацию основных носителей заряда. Косвенно это подтверждается результатами элементного (81, А1, К, С) анализа зерна керамики 8Ю-АВД (рис. 2). Видно, что по переферии зерна 81С содержание алюминия почти в четыре раза больше, чем кремния и углерода. Следовательно, по границам зерен высока вероятность образования барьерных слоев АВД-8Ю с емкостью р-ппереходов и высоким удельным сопротивлением, тогда как объем зерна остается низкоомным с п-типа проводимостью. В результате при определенных концентрациях АВД емкость и сопротивление граничного слоя оказываются много больше, чем в объеме зерна, приводя к целостному увеличению диэлектрической проницаемости образца.
1000
1 - 10% вес А1Ы
\\ 2 2 - 30% вес А1Ы
3 - 50% вес А1Ы
4 - 70% вес А1Ы
з ХЛ'х 5 - 90% вес А1Ы
1 й „
----
0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 /, кГц
Рис. 1. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости керамических материалов БЮ-АШ
Дальнейшее увеличение процентного содержания АШ приводит к уменьшению количества р-ппереходов за счет уменьшения содержания 81С, а следовательно, и к уменьшению диэлектрической проницаемости образца.
Известно, что электрические свойства керамики, состоящей из зерен с полупроводниковыми свойствами с сопротивлением рЁи диэлектрической проницаемостью еЁ, окруженных изолирующими слоями с сопротивлениемрь>> рЁи диэлектрической проницаемостью 8ь, можно описать соотношением типа формулы Дебая[6]:
Хр ь
Р = Р
+ -
гдеТх = £0(рьрг£ь2 IX) , т2 = £0ря£ь /X - времена релаксации, Х - отношение толщины барьера к толщине зерна.
При очень высоких частотах электрические свойства определяются объемом зерен, тогда как при низких частотах доминирует эффект граничных слоев. Из приведенных формул видно, что если отношение толщины барьера к толщине зерна Х мало, то эффективная низкочастотная диэлектрическая проницаемость становится исключительно большой. В [7] установлено, что глубина диффузии карбида кремния в нитрид алюминия при 2200 К и времени диффузии т = 1 ч не превышает 0,5 мкм. В наших экспериментах образцы керамики 8Ю-АШ спекались при температуре 2000-2170 К. Можно ожидать, что барьерные слои в исследованной нами керамике будут иметь такую же или еще меньшую ширину.
1 + (О 2т 1
и £ = £ „ +
£ ь IX
я ' 1 I ^2_2 1 + (ОТ 2
10000
100
10
Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Садыков С.А., Агаларов А.Ш., Билалов Б.А. Диэлектрическая релаксация в поликристаллических твердых растворах БЮ-АШ
Результаты измерений влияния постоянного смещающегося поля на диэлектрические характеристики керамики, представленные на рис. 4, свидетельствуют в пользу механизма миграционной поляризации в частотных зависимостях диэлектрических свойств образцов.
ЧиК ■■
Рис. 2. Результаты элементного анализа керамики БЮ-АШ(30% вес.АШ)
В аномально высокие значения диэлектрической проницаемости керамики 8Ю-АШ может внести существенный вклад переориентация различных заряженных дефектов. Объемно-зарядовая поляризация характерна для керамических материалов, особенно в области низких частот. Природа роста диэлектрической проницаемости в керамических материалах 8Ю-АШ такая же, что и в сложных композитах с последовательно соединенными слоями. На границах зерен с высокоомными слоями малой толщины происходит эффективное накопление свободного электрическогозаряда. Именно Максвелл - Вагне-ровская [8,9] релаксация объемных зарядов (заряженных дефектов) в области низких частот приводит к существенному росту комплексной диэлектрической проницаемости е* исследованных образцов (см. рис. 1). На рис. 3 представлена концентрационная зависимость тангенса диэлектрических потерь. Видно, что максимальные потери наблюдаются при концентрациях (30-50)% вес. АШ и на низких частотах. С ростом частоты потери уменьшаются.
С увеличением смещающегося поля происходит пиннинг объемных зарядов на дефектах структуры, снижается их подвижность, что приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости и росту диэлектрических потерь. Возможно, сказывается и рост омических потерь за счет сквозной проводимости.
2,8
2,2
1,6
ад
1,0
0,4
-0,2
0 20 40 60 80 100
Вес.% АШ
Рис. 3. Концентрационная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg5 в поликристаллических твёрдых растворах БЮ-АШ
Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Садиков С.А., Агаларов А.Ш., Билалов Б.А. Диэлектрическая релаксация в поликристаллических твердых растворах SiC-AlN
Рис. 4. Влияние смещающегося электрического поля на диэлектрическую проницаемость s(1) и диэлектрические потери tgS (2) образца SiC-AlN (30 %AlN). Частота измерительного поля 1 кГц
Заключение
В горячепрессованной керамике SiC-AlN обнаружено резкое увеличение еэфи tgS при содержании (30-50) % весАВД на низких частотах. Этот эффект объясняется действием граничных слоев (барьеров) между зернами SiC и AlN, а также миграционной поляризацией.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП ««Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Госконтракт № П406.
Литература
1. СафаралиевГ. К. //Широкозонныеполупроводники. - Махачкала, 19 SS.
2. ZangvilA., RuhR.PhaseRelationshipsintheSiliconCarbide-AluminumNitrideSystem // J. Amer. Cer. Soc. 19SS. № 71(10).-P. SS4-S90.
3. Казаков В.К., Мельникова В.А., Дуб С.М., Мальнев В.И. Структура и свойства материалов на основе карбида кремния и нитрида алюминия // X Всесоюз. конф. «Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов». - Обнинск, 1966.
4. Rafaniello W., Cho К., Virkаr А. Fabrication and Characterisation of SiC-AlN alloys// J. of materiels sciense. 19S1. № 16. - P. 3479-34SS.
5. СафаралиевГ.К., ТаировЮ.М., ЦветковВ.Ф., ШабановШ.Ш.Получение и свойства поликристаллических твёрдых растворов SiC-AlN// Физика и техника полупроводников. 1993.Т.27.Вып.3.- С. 402-40S.
6. BilligE, PlessnerK.W. // Proc. Phys. Soc. 1951. 64 B.- Р. 361.
7. Рафаевич Н.Б., Цветков В.Ф., Комов А.Н., Лосевская С.Г. Образование твердых растворов в системе SiC-AlN при спекании мелкодисперсных порошков // Неорганические материалы. 1990.Т.26, №5. - С.973-977.
S. Turik A.V., Radchenko G.S. Maxwell-Wagner relaxation in pieroactive media// J. Phys.D.: Appl. Phys. 2002. V.35.№ 11. - P.11SS-1192.
9. Xiang-Yu Zhang, Shou-Hong Tan, Wei-Wei Xu, Shao-Ming Dong, Zheng-Ren Huang, Ye Dong, Pei-Heng Wu,Dong-Liang Jiang. Preparation and Dielectric Properties of SiC-AlN Solid Solutions // Key Engineering Materials.2005. Trans Tech Dublications, Snitzerland.Vol. 2S0-2S3.- P. 127-130.
Поступилавредакциюб июля2011 г.
