Исследование температурной и частотной зависимостей электрофизических свойств диоксида церия Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК.621.315.592

В.А.ОГОРОДНИК, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., Г.А.ГАЛИНА, чаус сотр., Г.И.КАЛЬНАЯ, канд. физ.-мат. тук, ст. науч. сотр., Н.М.ПРИЩЕПА, канд. техн. наук, доц.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ И ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ

Проведено экспериментальное исследование электрофизических свойств СеОг — температурных и частотных зависимостей удельной электропроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, а также представлена интерпретация полученных результатов.

Известно, что СеСЬ — диэлектрик, имеющий большую статическую ( около 20) и высокочастотную (3,6) диэлектрическую проницаемость. В силу этих особенностей, а также благодаря ряду других свойств диоксид церия является весьма перспективным материалом.

Некоторые электрофизические свойства СеСЬ исследовались в работах (1—8 ]. Установлено, что в температурном интервале 200—1000" С основными носителями заряда в СеСЬ являются поляроны малого радиуса (ПМР), которые образуются в результате взаимодействия 4 /электронов ионов Се3 + с продольными оптическими колебаниями решетки. При этом наличие ионов Се3+ в этом оксиде обеспечивается тем, что в термодинамическом стабильном состоянии он находится в слегка восстановленном состоянии ( в формуле СеСЬ-х-* = 0,004). Однако в настоящее время отсутствуют экспериментальные сведения о зависимости диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь СеСЬ от температуры и частоты. Не выявлена также роль ПМР в этих процессах. Все это затрудняет внедрение диоксида церия в практику, а та^же уменьшает возможность направленного регулирования его свойств.

В данной работе проведено экспериментальное исследование электрофизических свойств СеСЬ (температурных и частотных зависимостей удельной электропроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, а также представлена интерпретация полученных результатов.

Образцы СеСЬ были получены методом шликерного литья с последующим спеканием полученных образцов при 1360° С. Образцы имели форму дисков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм.

Для исследования электрофизических свойств на основаниях образцов методом вакуумного термического испарения были сформированы электроды из хрома. Электросопротивление, емкость и тангенс угла диэлектрических потерь образцов измеряли с помощью тераом-метра Е6-13 А и моста переменного тока Р-4053. Экспериментальные результаты рассчитывались по данным измерений пяти образцов.

© В.Л.Огородник, Г.Л.Галина, Г.И.Кальная, Н.М.Прищепа, 1993

Кристаллическую структуру образцов СеСЬ определяли с помощью дифрактометра ДРОН-2.6 с использованием Си К-излучения. По полученным данным структура керамических образцов Се02 соответствовала кубической решетке типа С а Е- Результаты исследования структуры образцов Се02 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты рентгеноструктурных исследований СеОг

Ш (Ш) (002) (022) (113) (222) (004)

а, нм 0,3129 0,2707 0,1911 0,1630 0,1562 0,1353

Шо.% 100 25 80 70 10 10

Ш Т)

Рассчитанное по этим данным значение постоянной решетки а ■ = (0,5411 ± 0,0004) нм, чтосогла-суется с литературными данными [1,2]. Типичные температурные зависимости удельной электропроводности а показаны на рис. 1, а на рис. 2 представлены зависимости диэлектрической проницаемости с (кривые 3, 4) и тангенса угла диэлектрических потерь (кривые 1, 2) от температуры на частотах 103 Гц (2, 3) и 10" Гц (1, 4).

Из рис. 1 следует, что на зависимости \п(оТ) от 1/Т наблюдается три линейных участка, в пределах которых зависимость а(Г) описывается выражением

А ( ЕЛ а = -ех р^,

где А — предэкспоненциальный множитель; ЕЛ — энергия активации.

Результаты определения параметров АпЕЛ для трех температурных интервалов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Расчет постоянной А и энергии активации £» СеОг

Температурный иитериал, К £а, ЭВ А, Ом"1 м-1 К

400—500 0,27 ± 0,04 (0,61 ± 0,33)-10"3

500-660 0,74 ± 0,04 (0,15 ± 0,07)-102

660—910 1,23 ±0,03 (0,39 ± 0,35) • 10* ...'

Полученные значения хорошо согласуются с имеющимися литературными данными для монокристаллических и керамических образцов

Се02[2,5].

Диэлектрическая проницаемость СеО 2 в интервале 300—500 К не зависит от температуры и равна е =* 20 (рис.2), что близко к данным работ [1, 2, 6 ], полученным при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры наблюдается значительный рост диэлектрической проницаемости. На зависимости е(Т) можно выделить два температурных интервала, где происходит увеличение е. На частоте 103 Гц эти интервалы составляют 500 — 630 К и 700 — 900, а на частоте 104 Гц — 500 — 700 К и 840 — 950 К. Тангенс угла диэ-лек-. рических потерь (рис. 2) в ин-500 600 700^ 600 900 т.к. терВалах300 - 450К(103Гц)иЗОО

— 500 К (104 Гц) не зависит от температуры. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому увеличению ¿#3. При этом на температурной зависимости наблюдаются ярко выраженные максимум и минимум, положение которых зависит от частоты. На частоте 103 Гц максимум и минимум наблюдаются соответственно в точках 593 К и 678 К, а на частоте 104 — в точках 755 и 833 К.

Из представленных данных следует, что в СеСЬ при температуре выше 450—500 К существует дополнительный релаксационный механизм поляризации. Принимая во внимание, что в интервале 300—900 К электропроводность СеСЬ обусловлена ПМР [5], можно предположить, что дополнительная поляризация также обусловлена ПМР. При этом вклад ПМР в поляризацию можно представить аналогичным механизму поляризации междоузельных ионов по Сканави [7]. При прыжковом характере миграции ПМР число их перескоков против поля больше числа перескоков в направлении поля. При этом каждые два сечения, проходящие через ближайшие узлы локализации ПМР перпендикулярно направлению поля, можно рассматривать как некие «квазидиполи», обладающие дипольным моментом. Наличие двух участков резкого роста с с температурой и двух максимумов на зависимости <#3 (Т) дает основание предположить существование ПМР, характеризуемых двумя значениями энергии активации. 84

При существовании одного механизма поляризации определяется выражением [12]

fei

а + е0(е — е») со г/(1 + ш т )

£o£<»to + со(е — е») а>/( 1 + а>2г2)'

(2)

где ео — электрическая постоянная; е и е. — стационарная и высокочастотная диэлектрические проницаемости; со — круговая частота; т — время релаксации.

Это уравнение мы использовали для расчета времени релаксации предложенного (поляронно-релаксационного) механизма поляризации, используя экспериментальные значения о, е и tgd для ряда точек (через 20 К) температурного интервала.

Результаты расчета представлены на рис. 3, где прямая 1 соответствует частоте 103 Гц , а 2 — 104 Гц. Видно, что для каждой частоты можно выделить участок экспоненциальной зависимости от температуры:

т = т0ехр j£,/(*7*)J. (3)

Значения энергии активации Е„ и постоянной т0, определенные из рис. 3, оказались следующими: на частоте 103 Гц Е„ = 0,23 эВ и т0 = = 1,0- 10"6с, а на частоте 10" Гц Е» - 0,60 эВ и т0 - 0,3 • 10~8 с. Полученные таким образом значения Еа коррелируют с соответствующими значениями энергии акти- f m ÖQ0 mJK

вации (0,27 и 0,74 эВ), определенными по измерениям электропроводности (см. табл. 2). Этот факт подтверждает выдвинутое здесь предположение о вкладе ПМР в поляризуемость СеОг.

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что при температуре, превышающей 550—600 К, наблюдается резкое увеличение диэлектрической проницаемости Се02, обусловленное вкладом поляронов малого радиуса в общую поляризуемость оксида. Поляризуемость поляронов малого радиуса можно отнести к релаксационному типу, характеризуемому двумя значениями времени релаксации (в случае СеСЬ).

2,0 2? Ю00/Т,К~

Рис. 3

Список использованной литературы

1. Ъацшюв С.С., Дулепов Е.В. Диэлектрические проницаемости и заряды атомов в окислах редкоземельных элементов//физика твердого тела. 1964.Т.7, вып.4, С. 1239— 1241. 2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Басили P.P., Волокобинский Ю.М. Электрические свойства окислов редкоземельных элементов // Докл. АН СССР. 1964. Т. 160, N3. С. 578—582. 3. Самсонов Г.В., Гильман И.Я., Андреева А.Ф. Получение и исследование физических свойств тонких пленок окислов редкоземельных металлов // Изв. АН СССР. Сер. Неорган, материалы. 1975. Т. 2, N 7. С. 1645—1648. 4. Гильман И.Я. Исследование условий получения и физических свойств пленок окислов лантаноидов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. К., 1974. 21 с. 5. Иоффе В.А. Состояние примесей и электрические свойства некоторых оксидов переходных элементов: Автореф. дис.... д-ра физ.-мат. наук. Л., 1964. 68 с. 6. Самсонов Г.В., Орешкин ИТ., Перелыгин А.И. и др. Электрические свойства пленок окислов РЭМ в структурах металл—диэлектрик—металл // Получение и свойства тонких пленок. К., 1974. Вып.2. С.20—24.7. СканавиГ.Н. Физика диэлектриков (область слабых полей). М.; Л., 1949.330 с. 8. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков.М., 1977. 378 с.

Поступила в редколлегию 19.03.92

УДК 658.512.011

В.П.ГОИДЮЛ, канд. техн. тук, проф., И.О.ТИХОМИРОВА, асп.

КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ САПР КОНСТРУКЦИЙ РЭС НА ОСНОВЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ

Представлена концепция развития САПР конструкций РЭС на основе интеллектуализации системы. Предложено создавать САПР, объединяющие проектирующие подсистемы и экспертные надстройки к ним. Проанализированы требования,обусловленные использованием средств искусстненного интеллекта.Рассмотрены новые возможности построения САПР и качественных изменений о организации процесса проектирования.

Развитие систем автоматизированного проектирования, связанное с совершенствованием математического, программного, технического обеспечения, с одной стороны, и резким усложнением информационной емкости моделей современных элементов и конструкций РЭС — с другой, сдерживается тем, что процесс проектирования управляется конструктором—пользователем САПР, который, опираясь на свой профессиональный опыт и интуицию, оценивает ход и результаты решения на каждом из этапов процесса проектирования, обобщает их и делает выводы о целесообразности дальнейших действий. Однако пользователь САПР не всегда может принять оптимальное решение в силу недостатка опыта, сложности используемых информационных моделей объектов, незнания свойств и особенностей проектирующих процедур.

Качественный скачок в развитии САПР возможен путем адаптации используемых проектирующих модулей к конкретной информационно-вычислительной обстановке, а значит — путем разработки средств управления процессом проектирования.

© В. П. Гоидюл, И. О. Тихомирова, 1993