CC BY
9
УДК 548.73
Гурьева П.В., Куликов А.Г., Мололкин А. А., Артемьев А.Н., Демкив А. А., Писаревский Ю.В., Марченков Н.В.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ d22 В LiNb1-xTaxO3 МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА УГЛЫ, БЛИЗКИЕ К ОБРАТНЫМ
Гурьева Полина Викторовна, инженер-исследователь, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1
Куликов Антон Геннадьевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, 119333, Россия, Москва, Ленинский проспект, д. 59 Мололкин Анатолий Анатольевич, заместитель начальника производства АО "Фомос-Материалы", АО "Фомос-Материалы", 107023, Россия, Москва, ул. Буженинова, д. 16, стр. 1
Артемьев Александр Николаевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт",123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1
Писаревский Юрий Владимирович, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, 119333, Россия, Москва, Ленинский проспект, д. 59 Марченков Никита Владимирович, к.ф.-м.н., и.о. руководителя Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1
Демкив Андрей Александрович, младший научный сотрудник, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1 Адрес для переписки: poli.b3@gmail.com
Методом рентгеновской дифракции на углы, близкие к 180о проведено измерение с высокой точностью (1%) вариаций пьезоэлектрического модуля d22 кристалла смешанного состава LiNb(i-x)TaO3 (x=0,088) при последовательном измерении дифракционных кривых до и после включения постоянного электрического поля. Для этого же кристалла методом рентгенфлуоресцентного анализа проведено картирование распределения концентрации тантала. Показано наличие уменьшения пьезомодуля с ростом концентрации тантала. Ключевые слова изменение постоянной решетки, дифракция на углы, близкие к 180о, синхротронное излучение, пьезоэлектрический эффект
PRECISION MEASUREMENTS OF THE PIEZOELECTRIC MODULUS d22 IN LiNbx-xTaxOs BY THE METHOD OF DIFFRACTION OF SYNCHROTRON RADIATION AT ANGLES NEAR BACKWARD
Gureva P.V.1, Kulikov A.G.12, Mololkin A.A.23, Artemev A.N.1, Demkiv A.A.1, Pisarevsky Yu.V.12, Marchenkov
N.V.1,2
1National Research Centre «Kurchatov Institute», Moscow, Russia
2Federal Scientific Research Centre «Crystallography and Photonics», Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 3OJSC «Fomos Materials», Moscow, Russia
By the method of X-ray diffraction at angles close to 180, the variations of the piezoelectric modulus d22 of a crystal of mixed composition LiNb(i-x)TaO3 (x=0.088) were measured with high accuracy (1%) during consecutive measurements of diffraction curves before and after switching on a constant electric field. For the same crystal by X-ray fluorescence analysis mapping of tantalum concentration distribution was carried out. It is shown that the piezomodulus decreases with increasing tantalum concentration.
Keywords: lattice constant variation, diffraction at angles near 180°, synchrotron radiation, piezoelectric properties
Введение
Пьезоэлектрические материалы давно и успешно применяются в самых разнообразных областях. В последнее время повышенное внимание уделяется выращиванию и исследованию сегнетоэлектрических кристаллов сложных растворов ЫЫЬ(1-х)ТахОз [1-3]. Данный факт обусловлен с одной стороны широким спектром применения кристаллов краевых соединений системы ЫЫЬОз-ИТаОз, а с другой стороны -возможностью варьировать акустические,
пьезоэлектрические и оптические свойства кристаллов в зависимости от соотношения изоморфных катионов в диапазоне от ЫТаОз до ЫЫЬОз.
Смешанный кристалл ниобата танталата лития, исследуемый в данной работе, был выращен методом Чохральского в ИПТМ РАН. Образец был вырезан из верхней части були с фронтом кристаллизации, отличным от плоского, что заведомо предполагает наличие полос роста и вариацию соотношения концентрации элементов Та/ЫЬ. Образец представлял собой плоскопараллельную пластину 7-среза, размерами 6.4*6.6*03 ммз.
Экспериментальные методики и результаты В настоящей работе проводились измерения кривых дифракционного отражения (КДО) при воздействии на кристалл внешнего электрического
поля, приложенного вдоль оси [ 110 ] методом дифракции синхротронного излучения на углы, близкие к обратным (20 ~ 180°). Благодаря заведомо большой разнице пьезоэлектрических модулей у ниобата лития (d22 = 20.7 пКл/Н) и танталата лития (d22 = 7.0 пКл/Н) [4], ожидаемая вариация пьезоэлектрических свойств в локальных областях кристалла может проявляться существенно. Измерения КДО проводились путем сканирования в плоскости поверхности образца (XZ) на экспериментальной станции EXAFS-D источника синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" Принципиальная схема спектрометра (рис. 1) подробно описана в работах [5,6]. Подача электрического напряжения U = 451±0.4 В на кристалл осуществлялась циклами с задержкой между подачей и снятием поля равной 1 минуте. Такое напряжение соответствует внешнему полю напряженностью E = 1503 В/мм. Измерения серий КДО рефлекса 660 проводились при взаимоперпендикулярных сканированиях вдоль направлений X и Z образца в заданных областях (рис. 2). Угол Брэгга образца составлял 0b = 80.99°. Размер пучка на образце составил 260 мкм. По полученным экспериментальным данным были определены величины угловых смещений и полуширины (FWHM) КДО при внешнем электрическом поле и рассчитаны величины пьезомодуля сЬз (рис. 3).
Рис. 1. Рентгенооптическая схема спектрометра: СП - узел стабилизации вертикального положения "белого " пучка синхротронного излучения, Щ - щели, М1 - предварительный монохроматор 81(111), М2 -прорезной монохроматор 81(440), Х-2 - направления сканирования образца, Об - образец, ФЭУ1 -фотоэлектронный умножитель на кронштейне 26 г
24
X
1 23 С
22 21 20
дифрактометра, ФЭУ2 - в положении регистрации
дифрагированного излучения в области углов 20, близких к 180°, ППД- полупроводниковый детектор.
Исследование распределения элементов по поверхности подготовленного образца проводилось методом рентгенфлуоресцентного (РФл) анализа на установке ORBIS micro-XRF. РФл-картирование образца осуществлялись в плоскости поверхности (XZ) в вакууме с использованием сфокусированного рентгеновского пучка размером 30 мкм. Анализировалась интенсивность областей (ROI) спектра, соответствующих линиям серий NbK (@16,6 кэВ) и TaL (@8,1 кэВ), по которым затем определялось процентное соотношение заданных химических элементов. Полученные спектральные карты обрабатывались алгоритмом программы ORBIS Vision (рис. 2).
10
At% Та
Среднее 8,78 %
10 12
X, тш
Рис. 2. Двумерная карта распределения Та по данным РФл анализа. Красным и синим выделены соответствующие зоны сканирования методом рентгеновской дифрактометрии. Для этих же зон построены профили распределения концентрации Та (снний и красный графики).
2$ г
25
24
X
5 23 ё=
и
Ъ 22 21
20
1 2 3 Л
X, ММ
а) сканирование по оси X
t г з л 5
2, мм
б) сканирование по оси Z
Рис. 3. Распределение величины пьезомодуля d22 при сканировании: а) вдоль осиX; б) вдоль полярной оси 2 (направление роста) по данным рентгеновской дифрактометрии.
Обсуждение результатов и выводы
Сравнительный анализ данных, полученных методами РФл-картирования (с пространственным разрешением 38.5 мкм) и т^Ш рентгеновской дифрактометрии (с локализацией области засветки 260 мкм), показал корреляцию изменения пьезоэлектрического модуля и концентрации Та в исследуемых областях кристалла. К сожалению, ввиду разницы пространственного разрешения двух используемых методик нельзя детально разрешить изменение величины пьезоэлектрического модуля между полосами роста. Вариация пьезомодуля по оси X составила от 20.3 пКл/Н до 24.9 пКл/Н, по оси Ъ (вдоль направления роста) составила от 20.4 пКл/Н до 2з.1 пКл/Н. Усредненное значение
пьезоэлектрического коэффициента для областей сканирования по оси X составило ^22> = 22.5 пКл/Н, для областей вдоль оси Ъ ^22> = 21.з пКл/Н.
В зонах кристалла с наблюдаемым отчетливым уширением КДО, связанным с возможным наличием дефектов и/или полос роста, не наблюдался заметный рост/уменьшение пьезоэлектрического коэффициента, что может говорить об отсутствии остаточных доменных границ на дефектах [7]. Кроме того, предположительно, распределение полей
электрически-индуцированных деформаций на границах полос роста имеет сглаженный вид и не повторяет полностью локальную вариацию состава (концентрации Та) исследуемого твердого раствора.
Работа выполнена на уникальной научной установке КИСИ-Курчатов в части рентгенодифракционных измерений и при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках Государственного задания ФНИЦ "Кристаллография и фотоника " РАН в части подготовки образцов кристаллов и в рамках гранта № 075-15-2021-1362 в части проведения исследований методом рентгенфлуоресцентного анализа.
Список литературы
1. Suhak Y., Roshchupkin D., Redkin B., Kabir A., Jerliu B., Ganschow S., Fritze H. // Crystals 2021, 11, 398
2. Rusing M., Sanna S., Neufeld S., Berth G., Schmidt W. G., Zrenne A. // PHYSICAL REVIEW B (2016) 93, 184305
3. Roshchupkin D., Emelin E., Plotitcyna O. et al. // Acta Cryst. (2020). B76, 1071-1076.
4. Smith R.T. and Welsh F.S. J. Appl. Phys. 42, 2219 (1971); doi: 10.1063/1.1660528
5. Gureva P.V., Marchenkov N.V., Artemev A.N. et al. // J. Appl. Cryst. 2020. V. 53. P. 734. DOI: 10.1107/S1600576720005154
6. Гурьева П.В., Марченков Н.В., Артемьев А.Н. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 2. С. 132. DOI: 10.31857/S0032816221010274
7. Палатников М.Н., Сандлер В.А., Сидоров Н.В., Ефремов И.Н., Макарова О.В. // Неорганические материалы. 2020. Т. 56. № 11. С. 1215-1220.
