CC BY
8
Т. Н. Короткова,
кандидат физико-математических наук, доцент
доктор физико-матема- канд тических наук, профессор наук
Л. Н. Коротков,
М. А. Панкова,
кандидат технических
НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ УСТРОЙСТВ БЕЗОПАСНОСТИ И СВЯЗИ
NONLINEAR PROPERTIES OF STRONTIUM TITANATE-BASED SOLID SOLUTIONS FOR SECURITY AND COMMUNICATION
DEVICE COMPONENTS
Изучен нелинейный диэлектрический отклик твердых растворов на основе тита-ната стронция на воздействие электрических полей при различных температурах для составов с различными концентрациями SrTiO3. Обсуждаются возможности применения таких твердых растворов для создания электронных компонентов в устройствах безопасности и связи.
The nonlinear dielectric response of solid solutions based on strontium titanate to the effect of electric fields at different temperatures for compositions with different concentrations of SrTiO3 was studied. The possibilities of using such solid solutions for creating electronic components of devices in security and communication systems are discussed.
Создание многокомпонентных составов на основе уже известных и изученных материалов представляется в последние годы перспективным направлением получения новых материалов электронной техники с улучшенными электрофизическими свойствами. Это, в свою очередь, расширяет возможности создания более эффективных, надежных, миниатюрных радиоэлектронных компонентов, в том числе для систем безопасности и связи.
На основе сегнетоэлектрических материалов, как известно, возможно создание управляемых устройств, работающих в диапазоне СВЧ [1]: фазовращателей, фильтров, антенн с электрополевой перестройкой луча диаграммы направленности, линий задержки и
других приборов электронной техники. Такие устройства обладают высоким быстродействием, низким потреблением энергии по цепям управления, а также имеют малые массога-баритные характеристики по сравнению с устройствами на ферритах и полупроводниках и могут быть эффективно использованы, в частности, в системах охраны и связи. Однако широкому применению сегнетоэлектрических материалов мешает сильная зависимость их диэлектрической проницаемости и диэлектрической нелинейности от температуры [2].
Один из путей решения этой проблемы — синтез новых сегнетоэлектрических материалов, представляющих собой сложные твердые растворы. Подбор состава позволяет синтезировать материалы с оптимальным значением температуры Кюри и существенно размытым фазовым переходом. Это дает возможность получать нелинейные диэлектрики с достаточно низким температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости и высокой диэлектрической нелинейностью.
В настоящей работе проведены исследования твердых растворов (l-х)[0,7PbZЮз-0.3Ko,5Bio,5TiOз]-xSrTiOз для составов с концентрацией SrTiOз х « 0,05; 0,3; 0,6 и 0,7. Материалы были синтезированы по двухстадийной керамической технологии из оксидов висмута, титана, стронция, циркония, свинца и карбоната калия марки «осч». Температура синтеза 900 оС, продолжительность — три часа. Спекание образцов проводили при температуре 1200—1250оС в течение одного часа.
Исследование температурных зависимостей нелинейной диэлектрической проницаемости Д8=[8/(Е=)-8/(0)]/8/(0) твердых растворов (1-х)[0,7PbZrOз-0.3Ko,5Bio,5TiOз]-xSrTiOз осуществляли в следующем порядке. Сначала в отсутствии поля в ходе нагрева образца измеряли 8/ вплоть до температуры Т >Td. Затем к образцу прикладывали смещающее электрическое поле E= = 12 кВ/см и охлаждали образец до заданной температуры, после чего, не выключая Е=, в процессе нагрева проводили измерения 8. Полученные для различных составов температурные зависимости 8(Т) показаны на рис. 1, а соответствующие зависимости Д8(Т) — на рис. 2.
Смещающее поле вызывает возрастание 8/ в определенном интервале температур, лежащем ниже Тт и уменьшение диэлектрической проницаемости в окрестностях и выше Тт. Это обусловливает немонотонную зависимость Д8(Т). При низких температурах (Т<Тт) нелинейная проницаемость, являясь положительной величиной, возрастает с температурой, пока последняя не достигнет определенного значения Тп1. Увеличение концентрации SrTiOз приводит к снижению Тп1 и увеличению максимума Д8. Выше Тп1 наблюдается спад Д8, и при температуре несколько ниже Тт нелинейная проницаемость становится отрицательной. Дальнейшее ее уменьшение с нагревом образца происходит до температуры Тп2, при которой Д8 достигает своего минимума. Заметим, что для всех твердых растворов Тп2> Тт. Исключение составляет состав, не содержащий SrTiOз, для которого Тп2 ~ Тт. Выше Тп2 для всех составов абсолютное значение Д8 убывает, асимптотически приближаясь к нулю вблизи температуры Бернса Td~500 К.
Следует заметить, что полученные для различных составов зависимости Д8(Т) существенно отличаются от аналогичных кривых, наблюдаемых для канонических СЭ, в частности для SrTiOз. Обычно смещающее поле приводит к заметному уменьшению 8/ вблизи температуры СЭ фазового перехода, где на зависимости Д8(Т) наблюдается резкий минимум, при температурах, превышающих Тс на 10 ^ 20 К, зависимость Д8(Т) асимптотически приближается к нулю.
300 400 500 Т, К
Рис. 1. Температурные зависимости полученные в процессе нагрева на частоте 1 кГц в присутствии смещающего поля Е= =0 (1-4) и Е= = 12 кВ/см (1/ - 4/) для составов с концентрацией х=0 (1); 0,1 (2); 0,3 (3); и 0,6 (4)
0,08 0,04 < 0,00 -□ ,04 -□ ,0В 0,08
0,04
СО
<1 □,□□ -□ ,04 -□ ,08
200
1 э д а)
т
■/"V тт М ь, ^ "Л4 Ч\
1 \ г1 тт1 . :
300
400 Т , К
500
600
Рис. 2. Температурные зависимости Ав= 8/(Б==0)-8/(Б=), где Е==12 кВ/см, для составов с концентрацией х=0 (1); 0,1 (2); 0,25 (3); 0,3 (4); и 0,6 (5), полученные в процессе
нагрева на частоте 1 кГц 139
Можно предположить, что относительно высокое значение нелинейной проницаемости в твердых растворах (1-х)[0,7PbZrOз-0.3Ko,5Bio,5TiOз]-xSrTiOз и ее слабая в сравнении с каноническими СЭ зависимость от температуры обусловлены присутствием полярных областей в широком интервале температур, лежащем существенно выше Аналогичное предположение лежит в основе модели «случайных полей» [3, 4] и «сферической модели случайных связей — случайных полей», описывающих нелинейный диэлектрический отклик в релаксорных СЭ.
Модель «случайных полей» [3, 4] и «сферическая модель случайных связей - случайных полей» [4] позволяют на качественном уровне объяснить зависимости Ав(Т), показанные на рис. 2. Возрастание в/ в низкотемпературной фазе характерно для случая, когда реализуется смешанное состояние: сегнетоэлектрик — дипольное стекло (ДС) [3, 4]. Температуре, при которой возникает макроскопически полярное состояние, соответствует изменение с «+» на «-» знака Ав. Обсуждая экспериментальные результаты в рамках модели, можно говорить о том, что для всех составов ниже ^ реализуется область смешанного СЭ — ДС состояния, интервал существования которой расширяется с увеличением концентрации титаната стронция.
Рост В под действием смещающего поля может иметь место вблизи температуры перехода в антисегнетоэлектрическую (АСЭ) фазу [2]. Однако в данном случае возможность реализации АСЭ фазового перехода следует исключить, поскольку при АСЭ фазовых переходах не наблюдается аномалий мнимой компоненты диэлектрической проницаемости.
Анализ температурных зависимостей в/ показал, что наименьшим ТКЕ=(1/в )(Ав /АТ) ~ 1,710-3 в интервале температур 300—500 К обладает состав с концентрацией х = 0,6. Этот же состав обладает и наиболее слабой температурной зависимостью относительной диэлектрической нелинейности. При этом величина его диэлектрической проницаемости остается достаточно высокой и составляет ~ 1,35 103. Такой материал может быть использован для изготовления СВЧ фазовращателей, микрополос-ковых антенн, нелинейных электрических конденсаторов и параметрических диэлектрических усилителей на их основе [1].
Рассмотрим конструкцию планарного нелинейного конденсатора, нашедшего применение в аппаратуре СВЧ, используемой, в частности, в системах охраны. Конструкция конденсатора на основе выбранной сегнетокерамики представлена на рис. 3. Оценим параметры такого конденсатора.
I
Рис. 3. Конструкция двухэлектродного планарного конденсатора в разрезе (слева) и вид сверху (справа): 1 — диэлектрическая подложка; 2 — сегнетоэлектрическая пленка; 3 — металлические пленочные электроды; 4 — защитное диэлектрическое покрытие
Возьмем типовые размеры элементов конструкции конденсатора: W xl хИ = 0,5 х 0,2x0,1 мм, где W— ширина, l — длина конструкции, а И—толщина подложки. Возьмем ширину зазора между электродами s = 5 мкм, длину зазора d = 0,3 мм, толщину сегнето-электрической пленки h = 1 мкм.
Емкость планарного конденсатора оценивается по формуле [1]
С = 808^/(41^4 + ns/2h), где 80 = 8,85 1 0-12 Ф/м — абсолютная электрическая постоянная.
Подставив численные значения, получим значение емкости конденсатора С ~ 1,2 пФ.
Применение синтезированного сегнетоэлектрического твердого раствора в качестве диэлектрического материала в нелинейном электрическом конденсаторе повышает его температурную стабильность по сравнению с используемыми в настоящее время промышленными материалами.
Обнаруженная зависимость диэлектрической проницаемости от частоты измерительного поля может быть также использована для создания перестраиваемых излучателей систем радиосвязи — микрополосковых одиночных антенн и антенных решеток.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / О. Г. Вендик [и др.]. — М. : Советское радио. — 1979. — 272 с.
2. Рез И. С., Поплавко Ю. М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. — М. : Радио и связь, 1989. — 288 с.
3. Stephanovich V. A. Random field based theory of the relaxor ferrroelectrics // Ferro-electrics. — 2000. — Vol. 236. — P. 209—221.
4. Glinchuk M. D., Stephanovich V. A. Theory of nonlinear susceptibility of relaxor ferroelectrics // J. Phys. Condens. Matter. — 1998. — Vol. 10. — Р. 11081—11094.
REFERENCES
1. Segnetoelektriki v tehnike SVCh / O. G. Vendik [i dr.]. — M. : Radio i svyaz, 1979. — 272 s.
2. Rez I. S., Poplavko Yu. M. Dielektriki. Osnovnyie svoystva i primeneniya v elektronike. — M. : Radio i svyaz, 1989. — 288 s.
3. Stephanovich V. A. Random field based theory of the relaxor ferrroelectrics // Ferroelectrics. — 2000. — Vol. 236. — P. 209—221.
4. Glinchuk M. D., Stephanovich V. A. Theory of nonlinear susceptibility of relaxor ferroelectrics // J. Phys. Condens. Matter. — 1998. — Vol. 10. — R. 11081—11094.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Короткова Татьяна Николаевна. Доцент кафедры физики. Кандидат физико-математических наук,
доцент.
Воронежский институт МВД России. E-mail: tn_korotkova@mail.ru.
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-71.
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 информационной безопасности. 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.
Korotkova Tatiana Nikolaevna. Assistant Professor of the chair of Physics. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: tn_korotkova@mail.ru.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-71.
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. Tel. (473) 246-66-47.
Pankova Margarita Aleksandrovna. Senior lecturer of the chair of Information Security. 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: нелинейный диэлектрический отклик; твердые растворы на основе титаната стронция; материалы для устройств систем безопасности и связи.
Key words: nonlinear dielectric response; solid solutions based on strontium titanate; materials for electronic components of devices in security and communication systems.
УДК 537.226.4; 538.956
