Природа диэлектрической нелинейности в области размытого фазового перехода в слоистом сегнетоэлектрике BaBi2Nb2O9 Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

А.И.БУРХАНОВ, Ю.В.КОЧЕРГИН, В.Н.НЕСТЕРОВ (Волгоград)

ПРИРОДА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ В ОБЛАСТИ РАЗМЫТОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В СЛОИСТОМ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ ВАВ12МВ2Оэ

Исследованы диэлектрические свойства керамики ВаШ2НЬ20, принадлежащей к классу слоистых сегнетоэлектриков. Выявлена значительная низко- и инфранизкочастотная дисперсия е* в области размытого фазового перехода и установлен характер нелинейного диэлектрического отклика в ВаВ^ЫЬ2Од. Сделан вывод о возможности существования стеклоподобного состояния в ВаВ12ЫЬ2Од в достаточно широком интервале температур и смещающих полей.

Сегнетоэлектрики с размытыми фазовыми переходами, часто называемые, вследствие сильной частотной зависимости величины ет и температуры Тт (максимума диэлектрической проницаемости ет), сегнетоэлектриками-релаксорами, благодаря необычным свойствам находят все более широкое практическое применение в различных областях приборостроения. Наряду с прикладными исследованиями ведутся разработки модельных представлений о механизмах фазовых переходов в релаксорах - в рамках интенсивно развивающейся физики неупорядоченных конденсированных сред. К таким материалам можно отнести и слоистые сегнетоэлектрики, т. к. в них проявляются характерные свойства неупорядоченных объектов [1; 2]. Множество вопросов остаются без ответа относительно физической природы необычных свойств слоистых релаксор-ных сегнетоэлектриков. Наиболее важные из них: неоднозначное определение природы полярных областей, которые дают вклад в значения диэлектрической проницаемости, природа частотной дисперсии, природа процесса замораживания поляризации.

Цель настоящей работы - выявление механизмов низко- и инфранизкочастотной релаксации поляризации в слоистом сегнетоэлектрике ВаВ121\1Ь2Од и исследование характера диэлектрической нелинейности в области размытого фазового перехода данного сегнетоэлектрика.

Образцы и методика измерения. Исследование диэлектрического отклика в диапазоне частот 0,25 - 1000 Гц проводилось на керамических образцах состава ВаВ121\1Ь2Од, которые представляли собой плоскопараллельные пластины толщиной 0,4 мм и площадью от 32 до 58 мм2. Электроды наносились методом вжигания серебряной пасты. Измерения комплексной диэлектрической проницаемости 6* в слабых полях (Е < 1 В/см) проводились на установке мостового типа, при медленном нагреве (ГС/мин.) от температуры кипения азота Та = - 193°С до Т и 220°С с термостатированием (ДТ и 0,1°С) в каждой температурной точке. Погрешность по измерению диэлектрической проницаемости е' при этом значении поля была не более 0,5 %, а по коэффициенту диэлектрических потерь е" - не более 1 %. Измерения реверсивных зависимостей диэлектрической проницаемости е*(Е=) осуществлялись при ступенчатой подаче постоянного смещающего поля Е=, в измерительном поле Е = 6,3 В/см на частоте 1000 Гц. Выбранная величина измерительного поля позволяла уменьшить погрешность по измерению диэлектрической проницаемости е' на данной установке до 0,06 %.

Экспериментальные результаты и обсуждение. Рис.1 иллюстрирует поведение е'(Т) для разных частот в широкой области температур, захватывающей область температуры фазового перехода из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние в ВаВ^Ы^Од. Видно, что на частотах 500 - 1000 Гц имеет место очень размытый максимум е'(Т) в

© Бурханов А.И., Кочергин Ю.В., Нестеров В.Н., 2007

области температур Тт и 120°С - 150°С. При более низких частотах заметным становится вклад высокотемпературной релаксации поляризации - происходит рост е'(Т) во всем диапазоне температур. Особенно такой рост е'(Т) выражен на ин-франизких частотах. В зависимостях е"(Т) рост значений е" происходит при более низких температурах. При этом начиная с 50°С появляются максимумы е"(Т). Температуры данных максимумов е"(Т) существенно зависят от частоты: на 0,25 Гц -Ттах - -20°С, а на 1000Гц - Ттах « 50°С.

Проявление максимумов е"(Т) и соответствующее поведение е'(Т) в области Т<Тт указывает на наличие значительной низко- и инфранизкочастотной дисперсии 6* в ВаВ121\1Ь2Од. Анализ данной дисперсии показал, что она может быть хорошо аппроксимирована уравнением Коула-Коула:

Рис.1. Экспериментальные температурные зависимости диэлектрической проницаемости е'(Т) и диэлектрических потерь е"(Т) на различных частотах

1 + (Ж У а где 6 и 6 - соответственно низко- и вы-

^ Б СО

сокочастотный пределы области е*, х -наиболее вероятное время релаксации поляризации, со - круговая частота, а - параметр распределения по временам релаксации.

На рис. 2 представлены зависимости наиболее вероятной частоты релаксации гг от обратной температуры (а), глубины дисперсии Де = е5-еоэ (штриховая линия) (Ь), параметра распределения а(Т) (с), полученные при аппроксимации экспериментальных данных по уравнению Коула-Коула. Здесь же (см. рис.2, Ь) представлено поведение эффективной глубины дисперсии ДеЭф (сплошная линия), определяемой как разница между экспериментально определяемыми значениями е' на 0,25Гц и е' на 1000 Гц.

Анализ зависимости пг(1/Т) показал, что для температур, расположенных ниже Тт, выполняется соотношение Фогеля-Фулчера:

V,

У о ехр

ЦТ-Т^

где \'г - наиболее вероятная частота релаксации, у0& 2 108 Гц, Еа - энергия активации, Тг - температура замораживания. При этом значения Е иТ, составили 0,2 эВ и 264 К соответственно.

В интервале температур, расположенных вблизи Тт, кривая г///7) достаточно хорошо следует зависимости типа Аррениуса:

иа

кТ

где \'г - наиболее вероятная частота релаксации, предэкспоненциальный множитель, II й - энергия активации. Значения энергии активации для указанного интервала температур составляют II 0,11эВ.

Из рис. 2, Ь следует, что локальный максимум эффективной глубины дисперсии ДеЭф= е'0 25Гц- 8’юооГц возникает в области температур Т и 20°С - 30°С, т.е. при Т<Тт.

т. с

а

2,9

1 *1000, к'1

При этом с ростом температуры , начиная с Т и 100°С, значения Деэф резко увеличиваются. Наиболее вероятной причиной такого увеличения Деэф является проявление вкладов в поляризацию процессов, обусловленных Максвелл-Вагнеровской релаксацией, характерной для неоднородных структур и, в частности, для сегнетокерамик [3].

На рис. 2,Ь пунктиром выделена глубина дисперсии Де = е5 - еш, полученная из уравнения Коула-Коула. Видно, что температуры локального максимума Деэф(Т) и максимума Де(Т) практически совпадают, а далее для Де, в отличие от ДеЭф, наблюдается постепенное уменьшение.

Такое разделение Деэф(Т) и Де(Т) позволяет сделать вывод о том, что выделенная из уравнения Коула-Коула глубина дисперсии Де характеризует процессы релаксации поляризации, обусловленные природой фазового состояния материала. Например, вкладом осцилляций фазовых (или возможных доменных) границ полярных сегнеток-ластеров. Уменьшение данного вклада в низкотемпературной области (Т < 20°С -30°С), вероятнее всего, связано с «замораживанием» подобных релаксаторов. Об этом может свидетельствовать и поведение параметра распределения а(Т) (рис.2, с). Видно, что существенное увеличение значений а наблюдается начиная с температур ниже 100°С, т.е. ниже Тт. Такое поведение а(Т) можно связать с тем, что отдельные, термически активируемые, полярные нанообласти или релаксаторы, существующие при Т>Тт (с II й и 0,11эВ), при понижении температуры начинают взаимодействовать между собой. Как следствие, возникают полярные сегнетокластеры, границы которых могут пининговаться дефектами структуры, приводя к значительному расширению спектра частот релаксации.

Влияние сильных смещающих полей на керамику ВаВ121\1Ь2Од при различных температурах представлено на рис.З. Видно, что в ходе реверсирования (изменения смещающего поля Е= : от 0 до +Емах ; от +Емах до - Емах (кривая 1 - 2) и обратно (кривая 2 - 3)) имеет место постепенное смещение кривой е'(Е=) вверх. Параллельно кривым реверсивных зависимостей е'(Е=) на рис. 3 представлен схематичный вид петель поляризации, полученных на основе качественного анализа е'(Е=) (как в [4]). Здесь по оси Е представлены те же значения поля, что и на е'(Е=), а ось поляризации (Р) показана в относительных единицах. Видно, что смещение значений е'(Е=) приводит к тому, что петля поляризации является разомкнутой, т. е. для достижения значений Р, которые были в первом проходе, необходимы более высокие значения полей. Такое поведение Р(Е=) аналогично наблюдавшимся ранее петлям в кристалле К, хЕ1хТаОэ [5], находящемся в фазе дипольного стекла, когда с каждым циклом изменения поля значения Ес возрастают.

Рис.2. Зависимость наиболее вероятной частоты релаксации от обратной температуры уг(1/Т) - (а); температурные зависимости экспериментальной эффективной глубины дисперсии Де'(Т)=е'0Д5Гц(Т) - е'1000Гц (Т) (сплошная кривая), аппроксимационной глубины дисперсии Ае = е5 - ея (штриховая кривая) - (Ь) и параметра распределения а(Т) - (с)

Я,«сй си

Е.кВ см

Е.кВ см

-20 -1(1 (I К) 20

/: >:В г.и

-20

К1 ч О II)

Ь.. кЯ !!■

2н

Е.мй

1~ гЛ ,

Рис.З. Реверсивные зависимости е'(Еи схематичный вид петель поляризации в керамике ВаВ121\1Ь209 при различных температурах

Используемые в нашем эксперименте максимальные поля Етах были значительно меньше значений Е и 2 Ес, которые могли бы позволить выйти на насыщенные кривые е'(Е=), а следовательно, на насыщение поляризации Р(Е=). В этом случае поляризация сегнетоэлектрической фазы могла быть индуцирована во всем объеме образца и характер переключения поляризации стал таким же, как и в обычной сегнетокерамике [6].

В нашем случае (средних полей) мы имеем дело с частными циклами е'(Е=) и Р(Е=), здесь начинают играть основную роль те медленные процессы релаксации поляризации, которые характерны для неупорядоченных систем типа полярного (дипольного) стекла [5]. То есть в нашем случае внешнее поле приводит к постепенному включению в процесс релаксации отдельных полярных нанобластей, выступающих в качестве «макродиполей». Отсюда и постепенное увеличение вклада в значения е' при реверсировании.

Таким образом, сопоставляя данные по дисперсии е*, полученные для области фазового перехода в слоистом сегнетоэлектрике BaBi2Nb2Og, с поведением диэлектрической нелинейности в данном материале, можно сделать следующие выводы: 1) выявлена значительная низко- и инфранизкочастотная дисперсия е* в керамике BaBi2Nb2Og в области размытого фазового перехода и проведено разделение ее на «низкотемпературную», обусловленную релаксацией полярных образований и их границ, и на «высокотемпературную» (в области Т>Тт) дисперсии е*, когда основной вклад в е* определяют процессы Максвелл-Вагнеровской релаксации; 2) установленные особенности в поведении нелинейного диэлектрического отклика в BaBi2Nb2Og обусловливаются фазовым состоянием материала - данный слоистый сегнетоэлектрик в области температур Т<Тт в достаточно широком интервале смещающих полей находится в фазе дипольного стекла.

Литература

1. Смоленский, Г.А. Физика сегнетоэлектрических явлений / Г.А. Смоленский,

В.А. Боков, В.А. Исупов [и др.]. JL: Наука, 1985.

2. Pineda-Flores J.L., Chavira Е., Reyes-Gasga J. Synthesis and dielectric characteristics of the layered structure Bi4 xRxTi3012 (Rx= Pr, Nb, Gl, Dy) // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. 23. №6. P. 839 - 850.

3. Турик, А. В. Диэлектрические спектры неупорядоченных сегнетоакгивных систем: поликристаллы и композиты / А.В.Турик, Г.С.Радченко, А.И.Чернобабов [и др.] // ФТТ. 2006. Т. 48. В. 6. С.1088 - 1090.

4. Yul-Kyo Chung and Dong-11 Chun, J. Korean Physical Society. 1998. 32. S. 724.

5. Geifman, I.N., Ferroelectrics. 131.P. 207. 1992.

6. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. М.: Мир, 1974.

И.М. АГИБОВА, О.В. ФЕДИНА, М.А. БЕДЖАНЯН (Ставрополь)

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ МЛАДШИХ КУРСОВ

Показана необходимость усовершенствования методики проведения лабораторного практикума по физике путем применения творческих задач, выполнение которых предполагает использование различных компьютерных программ. Приведены примеры разработанных многоуровневых заданий и карточек помощи, используемых при проведении лабораторного практикума «Электричество и магнетизм».

Одной из задач вузовского образования является воспитание специалистов, обладающих высоким уровнем информационной культуры, способных использовать при решении профессиональных задач инструментальные средства, обеспечивающие процессы сбора, хранения и передачи информации, т.е. владеющих информационными технологиями.

© Агибова И.М., Федина О.В., Беджанян М.А., 2007