CC BY
12
Л.Н. Коротков,
доктор физико-математических наук, профессор
М.А. Панкова,
кандидат технических наук
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НИОБАТА ЛИТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА ЕГО ОСНОВЕ
THE USE OF THERMAL TREATMENT OF LITHIUM NIOBATE TO INCREASE THE STABILITY OF TECHNICAL DEVICES
Исследованы диэлектрический отклик и проводимость G монокристаллов LiNbO3, отожженных атмосфере H2 и не отожженных в широком интервале температур. Обнаружено существенное увеличение проводимости отожженных образцов, которое зависит от времени и температуры. Показано, что отжиг существенно снижает время релаксации зарядов, возникающих на поверхностях кристалла в случае изменения температуры, что ведет к повышению стабильности работы акустоэлек-тронных и акустооптических устройств на его основе.
The dielectric response and conductivity G of LiNbO3 single crystals annealed in an H2 atmosphere and not annealed in a wide temperature range are studied. A significant increase in the conductivity of annealed samples was found, which depends on time and temperature. It is shown that annealing significantly reduces the relaxation time of charges arising on the crystal surfaces in the case of temperature changes, which leads to an increase in the stability of acousto-electronic and acousto-optical devices based on it.
Монокристалл ниобата лития LiNbO3 - известный сегнетоэлектрик типа смещения с высокой температурой Кюри Тс ~ 1200 оС. Он обладает уникальным набором электрофизических, оптических и акустических свойств, что и обусловливает растущий интерес к этому материалу [1, 2]. Благодаря своим уникальным электрическим, оптическим, электрооптическим и электромеханическим свойствам монокристаллы ниобата лития LiNbO3, нашли широкое применение в различных сферах современной науки и техники. Развитие таких областей, как квантовая электроника, оптоэлектроника, аку-
BASED ON IT
стоэлектроника и других областей науки и техники привело к необходимости промышленного производства этого материала в большом объеме.
Наряду с увеличением объема производства ужесточаются действующие и предъявляются новые, порой специфические требования к синтезируемым кристаллам ниобата лития. Это стимулирует как совершенство технологии их выращивания кристаллов, так и поиск различных методов воздействия на их оптические, электрические и акустические свойства [1, 2].
При использовании кристаллов ниобата лития для изготовления фильтров на основе поверхностных акустических волн и других акусто- и оптикоэлектронных устройств возникает нестабильность в работе устройства, обусловленная пироэлектрическим эффектом, в результате которого, возникающий при изменении температуры электрический заряд, существенно влияет на электрическое состояние кристалла. Снизить это нежелательное воздействие, в частности позволяет проведение термического отжига в восстановительной среде [3].
В частности при химическом взаимодействии ЫЫЬОз с водородом могут наблюдаться различные реакции. В зависимости от условий может иметь место частичное замещение ионов лития водородом: ЫЫЬОз + Н ^ ЬЬ-хНхМЪОз + Ы , или восстановление материала: ПМЮз + Н2 ^ ЫМЮ 2 + Уо + Н2О.
Появление заряженных вакансий кислорода Уо приводит созданию примесных уровней в запрещенной зоне и существенному изменению электропроводности материала.
Целью настоящей работы является исследование влияния отжига ниобата лития в водороде на его диэлектрические и электрические свойства.
Для эксперимента использовались образцы в виде прямоугольных пластин 10^10x1 мм3. Отожженные образцы обрабатывали в течение примерно четырех часов в атмосфере Н2 при (450 - 800)0 С. Этого достаточно для создания атомов Н2 и кислородных вакансий, равномерно распределенных в образце. Перед проведением эксперимента на поверхности образцов напыляли серебряные электроды. Исследуемые образцы помещались в криостат, где температура изменялась от 150 до 350 К.
Диэлектрическую проницаемость материала в/ и тангенс угла диэлектрических потерь измеряли с помощью емкостного моста на частотах (0,4 - 10) кГц. Измерения электрической проводимости О проводили по двухпроводной схеме на постоянном токе при медленном повышении температуры или в условиях термостабилизации. Мнимую компоненту комплексной диэлектрической проницаемости вычисляли по формуле:
(в''= в^б.
Температурные зависимости в' и в'' для отожженного и не отожженного образцов показаны на рис. 1 . Видно, что температурные зависимости диэлектрической проницаемости обоих материалов практически совпадают при температурах ниже 210 К. Однако при дальнейшем повышении температуры зависимость в'(Т) начинает демонстрировать некоторый рост.
Мнимая компонента диэлектрической проницаемости образца, подвергшегося термической обработке в атмосфере водорода, демонстрирует существенный рост уже выше 200 К.
Можно предположить, что увеличение в' и в'', наблюдаемое для обоих кристаллов при повышении температуры связано с ростом проводимости О. Для проверки этого предположения были проведены измерения G на постоянном токе.
100 200 300 Т,К
Рис. 1. Температурные зависимости в' (1 и 2) и в'' (1/ и 2/), полученные на частоте 48 Гц для отожженных в атмосфере Ш образцов LiNbOз (1 и 1') и не отожженных образцов (2 и 2')
Для отожженных образцов было обнаружено сильное увеличение электропроводности при температурах выше 150 К. Так при комнатной температуре проводимость О составляла 10-8 Ом"1см"1, что приблизительно на 104 раз больше, чем для образцов, не прошедших термообработку в водороде. Можно предположить, что электрическая проводимость образцов носит термоактивированный характер. Тогда зависимости 1п(ОТ) от обратной температуры должны иметь вид прямых линий, что и в самом деле имеет место (рис. 2). В этом случае зависимости О(Т) можно описать выражением:
О=(А/Т)ехр(-и/кТ), (1)
где U - энергия активации, k - постоянная Больцмана, а Л - постоянная, имеющая размеры Ом-1 см-1 К. Численные оценки показывают, что Л = 0,1 Ом-1 см-1 К и и = 0,26 эВ.
Можно предположить два механизма электропроводности для образца ниобата лития, отожженного в водороде. Перенос заряда в разрешенной зоне и прыжковый механизм переноса по локализованным примесным состояниям [4].
Рис. 2. Зависимости 1пОТ от обратной температуры для отожженных при 7500 С в атмосфере Ш образцов LiNbOз вдоль осей кристалла z (1 и 2) и х (3)
Для проверки этого предположения изучим частотные зависимости электропроводности. Оценим величину проводимости по данным измерения диэлектрических измерений
О = в''вош, (2)
где во - электрическая постоянная и ш=2л:£
Рис. 3. Зависимости 1п G от 1п ш, полученные при 240 (1) и 260 K (2) для отожженных образцов LiNbOз
Зависимости G(ш), полученные при температурах 240 и 260 К показаны на рис. 3. Их можно описать выражением G~ шу, взятым из работы [4]. Анализ экспериментальных результатов дает значение у « 0.4, что согласно [4] свидетельствует о доминирующем при данных температурах прыжковом механизме переноса заряда.
Следует отметить, что электропроводность образцов LiNbOз, отожженных в атмосфере Н2, нестабильна и уменьшается при измерениях в условиях термостабилизации (рис. 4).
Рис. 4. Зависимости 1п^Т) от времени измерения для отожженных при 750 оС в атмосфере Ш образцов LiNbOз вдоль кристаллографических осей z (1) и х (2).
Похожий вид имеют зависимости G (1), наблюдаемые вдоль разных кристаллографических осей (х, у, z). Это свидетельствует о том, что зависимости G (^ не связаны с движением доменной границы, а связаны с процессами, протекающими в кристалле.
Анализируя литературные данные [3], можно сделать предположение относительно того, что наблюдаемое со временем уменьшение проводимости обусловлено появлением внутреннего электрического поля в приэлектродных областях, частично компенсирующего измерительное поле. Появление встроенного поля обусловленного скоплением протонов вблизи отрицательного электрода, которые также дают некоторый вклад в электропроводность ниобата лития.
Таким образом, можно сделать вывод, что отжиг монокристаллов LiNbOз в атмосфере водорода приводит к значительному увеличению их электрической проводимости.
Важным фактором, влияющим для технического применения акустоэлектрон-ных и акустооптических устройств является стабильность их работы. Оценим время релаксации электрического заряда т, проявляющего на поверхностях кристалла, например, в результате пироэлектрического эффекта
т = вв0^, (3)
где so = 8,85-10-12 Ф/м - абсолютная электрическая постоянная.
Подставив численные значения для комнатной температуры s = 100, G = 10-8, и G = 10-12 Ом-1 см-1, соответственно для отожженного в водороде и исходного образца, получим т « 10-4 и т « 10° с.
Таким образом, используя отжиг в атмосфере водорода, можно значительно снизить время рассасывания пироэлектрического заряда, возникающего при изменении температуры на поверхностях кристалла ниобата лития, тем самым уменьшить влияние дополнительных электрических полей на параметры акустоэлектронных и акустоопти-ческих преобразователей на основе ниобата лития, сделать работу устройств более стабильной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития / Ю.С. Кузьминов. - Москва: Наука, 1987. - 264 с.
2. Oswaldo Sánchez-Dena. Lithium Niobate Single Crystals and Powders Reviewed— Part II / Oswaldo Sánchez-Dena, Sergio David Villalobos-Mendoza , Rurik Farías and Cesar David Fierro-Ruiz. //Crystals 2020, 10, 990; doi:10.3390/cryst10110990.
3. Яценко А.В. Электрические свойства кристаллов LiNbO3, восстановленных в атмосфере водорода / А.В. Яценко, С.В. Евдокимов, А.С. Притуленко, Д.Ю. Сугак, И.М. Сольский // Физика твердого тела, 2012, том 54, вып. 11. С. 79-83
4. Mott N.F. and Davis E.A. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. Clarendon press.Oxford 1971.
REFERENCES
1. Kuzminov Yu.S. E'lektroopticheskij i nelinejnoopticheskij kristall niobata litiya / Yu.S. Kuz minov. - Moskva: Nauka, 1987. - 264 s.
2. Oswaldo Sánchez-Dena. Lithium Niobate Single Crystals and Powders Reviewed— Part II / Oswaldo Sánchez-Dena, Sergio David Villalobos-Mendoza , Rurik Farías and Cesar David Fierro-Ruiz. //Crystals 2020, 10, 990; doi:10.3390/cryst10110990.
3. Yacenko A.V. Rlektricheskie svojstva kristallov LiNbO3, vosstanovlenny'x v at-mosfere vodoroda / A.V. Yacenko, S.V. Evdokimov, A.S. Pritulenko, D.Yu. Sugak, I.M. Sol skij // Fizika tverdogo tela, 2012, tom 54, vyp. 11. S. 79-83
4. Mott N.F. and Davis E.A. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. Clarendon press.Oxford 1971.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Коротков Леонид Николаевич. Профессор кафедры физики твердого тела. Доктор физико-математических наук, профессор.
Воронежский государственный технический университет.
E-mail: l_korotkov@mail.ru.
Россия, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14. Тел. (473) 246-66-47.
Панкова Маргарита Александровна. Старший преподаватель кафедры компьютерной безопасности и технической экспертизы. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: m_a_pankova@mail.ru.
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-37.
Korotkov Leonid Nikolaevich. Professor of the chair of Solid State Physics. Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor.
Voronezh State Technical University.
E-mail: l_korotkov@mail.ru.
Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 14. (473) 246-66-47.
Pankova Margarita Aleksandrovna. Senior lecturer of the chair of Computer Security and Technical Expertise. Candidate of Technical Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: m_a_pankova@mail.ru.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel.(473)200-52-37.
Ключевые слова: монокристал ниобата лития, термический отжиг, диэлектрическая проницаемость, проводимость, температурная стабильность, акустоэлектронные и акустооптические устройства.
Key words: lithium niobate single crystal, thermal annealing, permittivity, conductivity, temperature stability, acoustoelectronic and acoustooptical devices.
УДК 537.226.4; 538.956
