CC BY
12Особенности фазовых переходов в поляризованной керамике системы (1-х) МаМЬЮ3 - х РЬТЮ3
Бородин А.В. (sakh@ip.rsu.ru), Резниченко Л.А., Захаров Ю.Н.. НИИ физики Ростовского Государственного Университета
Введение
Согласно [1] чистый №N50;? при комнатной температуре является антисегнетоэлектриком. Ромбическая антисегнетоэлектрическая Р-фаза имеет место в диапазоне температур от -200 0С до 3540С .При приложении электрического поля, перпендикулярно оси Ь возникает сегнетоэлектрическая фаза 0 , которая затем может сохраняться длительное время после выключения поля. Однако границы термической стабильности этой фазы не определены. Выше 360 0С у неполяризованного №№Ь03 существует псевдотетрагональная антисегнетоэлектрическая Я-фаза, а выше 490 0С и до 630 0С неполярные ромбические Б ,Т1 и тетрагональная Т2 - фазы.
В системе (1-х)№№Ь03-хРЬТЮ3 твердые растворы со структурой перовскита образуются во всем интервале концентраций компонент (0 < х < 1). Рентгенографическими и диэлектрическими измерениями при комнатной температуре установлено наличие 19 фазовых состояний, в том числе, 9 морфотропных областей (МО), разделяющих фазы с различной симметрией т мультиплетностью перовскитовой подъячейки, электрическим упорядочением, изоморфным типом твердого раствора.[2].
Результаты и обсуждение
Настоящая работа посвящена исследованию особенностей фазовых превращений в предварительно поляризованных образцах твердых растворов (1-х)№№Ь03-хРЬТЮ3 в интервале температур 20-4500С, для различных концентраций РЬТЮ3.
Проведено комплексное исследование температурных зависимостей диэлектрической проницаемости (в33 /е0) на частоте 1 кГц, пироэлектрического коэффициента (уд ) и разрядного тока ( ] ). По положению максимумов уд и ] оценивали термическую стабильность поляризованного состояния, степень размытия фазового перехода , а по положению максимумов диэлектрической проницаемости при нагревании и последующем охлаждении образцов -величину температурного гистерезиса фазового перехода.
Образцы предварительно поляризовались приложением электрического поля 4-5 кВ/см при температуре 1400С и медленном охлаждении в этом поле до 600С. Особое внимание было уделено трем контрационным интервалам:
1. 0.0025< х < 0.025
2. 0.17 < х < 0.23
3. 0.26 < х < 0.50
1. Интервал концентраций 0.0025< х < 0.025.
Согласно [2] в этом интервале должна иметь место антисегнетоэлектрическая Р-фаза с учетверением решетки по параметру b=4a0 ,
характерная для чистого ниобата натрия. Под действием сильного поляризующего поля антисегнетоэлектрическая фаза Р сменяется фазой Q. Поляризованное состояние сохраняет устойчивость при нагревании до 300°С: на кривой в33Т/в0(Т) при нагревании наблюдается два максимума. Низкотемпературный максимум обусловлен переходом из индуцированной полем фазы Q в антисегнетоэлектрическую фазу Я; с ним коррелируют разрядные токи и максимум уд. Высокотемпературный максимум предположительно обусловлен непосредственно переходом в параэлектрическую фазу. При х= 0.005 максимум ] расщеплен на два, а максимум уд сильно размыт по температуре, что указывает на различную степень стабильности индуцированных полем сегнетоэлектрических кластеров, сохранившихся и в Я- фазе. С увеличением х переход из Я-фазы смещается вниз по температурной шкале и сливается с переходом из Q-фазы. Ветвление по ] исчезает при х=0.01, а по уд - при х>0.0125. Исчезновение фазы Я наблюдается при х>0.0175 . Для данной концентрации при комнатной температуре характерно начало изменения мультиплетности перовскитной подъячейки с М4 на М2 с увеличением х , которое находит свое отражение в поведении пьезомодулей керамики: с увеличением х пьезомодули d33 и d31 возрастают до х=0.0175, затем следует уменьшение и новый рост уже в новой структуре. Аналогичные зависимости от х в этом диапазоне концентраций получены для уд, ] и максимумов диэлектрической проницаемости. В области смены мультиплетности эти величины убывают, а затем продолжают расти с увеличением х . Наибольших значений они достигают в районе морфотропных областей, разделяющих ромбические и тетрагональные фазы.
2. Интервал концентраций 0.17 < х < 0.23.
В интервале 0.202 < х < 0.209 твердые растворы при комнатной температуре находятся в тетрагональной фазе(Т1). Для поляризованных образцов положение тетрагональной фазы несколько смещено по концентрации в сторону увеличения х . На зависимости пьезомодуля d33 (х) эта фаза ограничивается точками х= 0.210 и х=0.220 с двумя морфотропными областями отделяющими ее от ромбических фаз. При нагревании интервал существования этой фазы сужается к переходу в парафазу, но полностью не исчезает( 0.2075<х<0.2175). В области тетрагональной фазы происходит смена характера зависимости температуры фазового перехода от концентрации х ; если при х<0.19 эта температура понижалась, то при х>0.225 начинается ее увеличение. В области фазы Т1 наблюдалась самая большая величина температурного гистерезиса по в: от 15 К при х=0.2025 до 29 К при х=0.2125. При этом максимальное значения диэлектрической проницаемости при охлаждении после прогрева в парафазу превышают аналогичные значения при нагревании на 35-55%. Это явление свидетельствует о значительной стабилизации сегнетоэлектрической фазы после поляризации и последующего старения. Возрастание в /в0 после прогрева за точку Кюри указывает на существенную термическую активацию доменной структуры нагревом до 400-450 С. Максимумы уд и ] в морфотропных областях, отделяющих первую тетрагональную фазу от ромбических фаз, разделены между собой температурными промежутками в 5-7 К, что связано с некоторым расширением области фазового превращения. При переходе в ромбическую фазу параметры сегнетокерамики уменьшаются . Однако с ростом х происходит переход во вторую тетрагональную фазу и параметры увеличиваются вновь.
3. Интервал концентраций 0.26 < х < 0.50.
Ромбическая симметрия существует в интервале 0.213<х<0.35 , однако, начиная с х=0.30 появляется вторая тетрагональная фаза. Морфотропная область 0.30 < х < 0.35 характеризуется повышенными значениями dik , в , уд , ] и некоторым снижением температуры фазового перехода в парафазу. В области тетрагональной фазы с увеличением х наблюдается монотонное уменьшение dik ,в , уд , ] и рост температуры перехода в парафазу. Характерной особенностью этой фазы является отсутствие температурного гистерезиса; кривые в(Т) при нагревании и последующем охлаждении практически совпадают. По-видимому, при нагревании до 400-450 0С термической активации дефектов, ответственных за старение, не происходит. Об этом же свидетельствует обратимый характер разрядного тока. После прогрева за ТК поляризованное состояние частично восстанавливается.
Заключение.
Проведенными исследованиями уточнен интервал концентраций компонент, при которых происходит в результате поляризации исчезновение антисегнетоэлектрических фаз во всем температурном интервале Т < 4000С .
Уточнены границы первой тетрагональной фазы для поляризованных образцов в области перехода в неполярную фазу.
Определены границы термической устойчивости поляризованного состояния в области морфотропной РТ2 области и второй тетрагональной фазы.
Показана перспективность практического использования пьезокерамики в области первой тетрагональной фазы.
Литература:
1. Физика сегнетоэлектрических явлений. под. ред. Г.А.Смоленского. Л.Наука, 1985.-396с.
2. Резниченко Л.А., Шилкина Л.А., Разумовская О.Н. и др.// труды 2-го Междун. симпозиума "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах"("ОМЛ-П").с.255-269.
