CC BY
39
Павлов Андрей Николаевич
Pavlov Andrej Nikolaevich Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of civil engineering
Профессор/professor
Козаков Алексей Титович
Kozakov Aleksej Titovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий лабораторией/head of laboratory
Сахненко Владимир Павлович
Sakhnenko Vladimir Pavlovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий кафедрой/head of the Chair
Панченко Евгений Михайлович
Panchenko Evgenij Mikhajlovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий отделом/head of the Department
E-Mail: and2562yandex.ru
Влияние поляризации на формирование спектров аномальной электронной эмиссии в ниобате лития
Influence of polarization on the formation of the spectra of anomalous electron
emission in niobate lithium
Аннотация: Предложен механизм влияния направленности спонтанной поляризован-ности на эмиссию электронов при облучении мягким рентгеновским излучением сегнетоэлек-триков-электретов LiNbO3. Показано, что плотность тока эмиссии немонотонно зависит от плотности электретного заряда, который в свою очередь определяется взаимной направленностью электризующего поля и спонтанной поляризованности.
The Abstract: Mechanism of effect of orientation of spontaneous polarization on emission electron irradiation of soft x-ray radiation ferroelectric - electret LiNbO3 is obtained. Shown that the emission current density no monotonically depends on the density of the electret charge, which in turn is determined by the mutual orientation of electric field and spontaneous polarization.
Ключевые слова: Эмиссия, электрет, сегнетоэлектрик, спонтанная поляризованность.
Keywords: Emission, electret, ferroelectricity, spontaneous polarization.
Облучение мягким рентгеновским излучением диэлектрика приводит электронную систему вещества к неравновесному состоянию, сопровождаемому эмиссией электронов. Экспериментально было показано, что аномально высокая электронная эмиссия (АЭЭ) обуславливается электретным зарядом на облучаемой поверхности. Два метастабильных состояния (электретный заряд и неравновесные электроны, созданные рентгеновским излучением) релаксируют к новому метастабильному состоянию с испусканием электронов. Эффект АЭЭ определяется состоянием поверхности и приповерностного слоя вещества, поэтому информативен для исследования физики поверхности. Для одноосного сегнетоэлектрика LiNbO3 обнаружено, что на АЭЭ влияет также направление спонтанной поляризованности по отношению к облучаемой поверхности. АЭЭ наблюдается, когда на облучаемую поверхность выходят отрицательные связанные заряды Ps, то есть о = Ps™ < 0 , где Ps™ - проекция спонтанной поляризованности Ps на направление нормали к облучаемой поверхности. Однако АЭЭ отсутствует, когда на облучаемую поверхность выходят положительные связанные заряды Ps или когда облучаемая поверхность параллельна направлению вектора Ps, хотя в этих случаях электретный заряд удается создать. Рассмотрим модель, описывающую влияние направления Ps на создание электретного заряда и формирование АЭЭ.
Электретный заряд (ЭЗ) в рассматриваемом случае обуславливается инжекцией электронов на поверхность вещества, а также смещением объемного заряда в возникающем при электризации электрическом поле. Начальная поверхностная плотность суммарного ЭЗ определяется напряженностью электризующего поля Eext и зависит от свойств как поверхности, так и объема материала [3]. = адот — (PS™ — 0get ) = Eext2s0 , где о^ош-
начальная плотность гомозаряда на локальных поверхностных состояниях, Oget - начальная плотность гетерозаряда, равная приведенной к единице поверхности плотности объемного заряда. Величины одот и oget могут достигать предельных значений, обусловленных
атомным строением вещества: о^ОтХ ~ От“х~10_5 ^ / ст 2 >> °ei .
Г етерозаряд принимает участие в процессах экранирования внешнего поля, поля гомозаряда, а также деполяризующего поля, обусловленного спонтанной поляризованностью. После электризации изменение поверхностных и объемных зарядов происходит с разной скоростью. Уравнение релаксации гомозаряда может быть записано в виде:
!"дот 1 _1 /-Es / n гг-п
-----=--------одот , где тдот = ) &exp ( s/- время релаксации гомозаряда [5];
dt "дот
) = NcSt3t- частотный фактор приповерхностных центров захвата; Nc - плотность состояний в зоне проводимости; St - сечение захвата приповерхностных центров; Es - энергия активации приповерхностных центров захвата, 3t -скорость теплового движения электронов.
Уравнение релаксации гетерозаряда [5], обусловленного в LiNbO3 ионно-вакансионной миграцией, имеет вид: d#et = — oel , где (get = ss0/q^getNget - время релаксации
д et
гетерозаряда; £ - диэлектрическая проницаемость, q - элементарный электрический заряд, Hget -подвижность гетерозаряда, Nget - плотность гетерозаряда.
Пусть °дот > <еГ, q°g,e?x<Edep =pV(££o). Если Eext << EdeP< ^ , то
поскольку экранирующий Ps гетерозаряд вошел в состояние насыщения, он не принимает участия в экранировании нанесенного гомозаряда. Тогда 0°? = о^,?т = Eext2so
Релаксация заряда = адот после снятия ЕехС будет определяться временем релаксации гомозаряда. Таким образом, в режиме электризации при Еехі < 1Р5, что соответствует выходу на электризуемую поверхность отрицательного торца р, электретный заряд является долгоживущим и стабильным (рис.1, кривая 1)
Если Е ехі <= Е!е8, то экранировавший спонтанную поляризацию гетерозаряд рассасывается, и в экранировании гомозаряда принимает участие спонтанная поляризованность:
о
OII
el
о
OII
gom
— (Ps — оlet ) = Eext2^O .
При Ps ~ agmox при электризации устанавливается состояние, описываемое соотноше-
нием:
о,
OII max
= agoX >> , Eext2sO . Релаксация заряда = agom
Jgom ^дот > > '-'get > ‘-‘ext^'-Q • А '-'дот -(Ps - " °get ) после
снятия Eext будет определяться временем релаксации гетерозаряда (рис.1, кривая 2).
Рис. 1. Расчетный график временной зависимости электретного заряда при Eext < (1) и
~Eext << Ps (2).
Рис. 2. Расчетный график зависимости плотности тока эмиссии от плотности электретного заряда при °h/oel = 0,5.
Если Eext перпендикулярно E!ep, то состояние насыщения гетерозаряда нарушается, и он принимает участие в экранировании гомозаряда.
о
OIII OIII
el
= о,
aaOeI^tI = Eext2^o « о
gom
get
OIII ~ о0III
gom get
Релаксация заряда оЦ1 = одот — оде1 после снятия ЕехС будет определяться
временем релаксации гетерозаряда (рис.1, кривая 2). Результаты, представленные на рис. 1, получены при следующих значениях параметров гёот = 108 б, ^ =3 • 103 б, о^(?т = 10“7 С •
то
a<Il >> aeII
rjIII
оєі
cm 2, agom = = 10 4 С •cm 2. Поскольку (get << (gom,
(рис.1).
Образование электрета путем инжекции извне электронов на поверхность образца приводит к нарушению электронейтральности объекта исследования и появлению макроскопического поля с напряженностью Eel. Пусть электретный заряд обусловлен отрицательным зарядом на глубоких локализованных поверхностных состояниях акцепторного типа. Свободные электроны из зоны проводимости испаряются и под действием поля электрета уносятся от объекта (эмиттера) к коллектору, что фиксируется в
виде эмиссии электронов. При этом возникает обедненная электронами область Шоттки с объемным положительным зарядом, обусловленным дырками в валентной зоне Электроны, пройдя от объекта к коллектору, получают в поле электретного заряда энергию Ж При воздействии рентгеновского излучения создаются неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне объекта.
Рассмотрим эмиссию, когда движение электронов из объема к поверхности можно описать в диффузионно-дрейфовом приближении [1]. При наличии отрицательного поверхностного заряда и полностью экранирующего его объемного положительного заряда плотности тока 7 и ]2 по разные стороны границы раздела объект-вакуум одинаковы. Суммарная плотность тока] через границу раздела при этом равна нулю.
Пусть <ге/-плотность отрицательного электретного заряда; С - плотность объемного положительного заряда области Шоттки. При С < С между образцом и коллектором возникнет разность потенциалов Ар^, равенство токов нарушится, появится дополнительный ток, который идентифицируется в виде тока эмиссии. Плотность тока эмиссии ]е1кь
описывается выражением (1).
7 = I - Л = 7 - (Л - Ли) = Ли = Чп V ик1 = Чп . — (1)
V т
Здесь Ькь - дрейфовая скорость электронов в области коллектора, т - масса электрона, Ч - величина элементарного электрического заряда,.
Эмиссия электронов из вещества и тем самым разрастание области Шоттки продолжается до полной компенсации электретного заряда объемным зарядом области Шоттки. Увеличение области Шоттки осуществляется за счет примыкающей к ней области инжекции заряда, которой является слой вещества толщиной порядка длины свободного пробега 1п . Потенциальный барьер АФ формируется как областью Шоттки, так и областью инжекции. Поскольку вблизи поверхности взаимное расположение энергия свободного
электрона в вакууме и энергии дна зоны проводимости не изменится по отношению к объему
образца, работа выхода из объема Ф увеличится на величину АФ, что определит выражение (2) для щ.
п = N ехрГ- Ф+АФ] = N ехрГ- Ф- ЧР - ЧР ] (2)
г 0 Я кТ ) 0 Я кТ )
Здесь = 4 [р0) - рХ8 )] - вклад области Шоттки, определяемый уравнением
Пуассона для потенциала, чф = ч1 С<е1 С - вклад области инжекции, определяемый
однородным полем некомпенсированного электретного заряда.
Электретный заряд влияет на ток эмиссии неоднозначным образом. Увеличение ЭЗ приводит к росту потенциала Арешь и потенциального барьера АФ внутри образца. Эти две тенденции различным образом сказываются на АЭЭ. Поэтому численное моделирование при С = 0,5 Се1 дает немонотонную зависимость плотности тока эмиссии от плотности электретного заряда (рис.2). Расчеты процесса эмиссии произведены при ^=1022 от3, Ф=1,2еУ,
т~10-2
е = 102, Т = 300К, Поскольку для ЫЫЬ03 величина подвижности электронов
“ ^ V ■ о
[2], оценка величины 1п ~5-10-9Ц [1] показывает, что в ЫЫЬ03 перенос подвижных
носителей заряда имеет прыжковый, поляронный характер [4] с 1п ~ а, где а - постоянная решетки (а-51СГ8 ст).
При малых плотностях ЭЗ плотность тока эмиссии уменьшается при уменьшении ЭЗ. В этом случае, когда >> , а^г?, эмиссия при выходе на облучаемую поверхность
отрицательного торца Ря существенно больше эмиссии для других ситуаций (рис. 2), что и наблюдается в эксперименте. Если имеющиеся значения плотности ЭЗ соответствуют ниспадающей части графика зависимости тока от ЭЗ, то должно проявиться падение тока при росте энергии (рис. 3), поскольку энергия растет с ростом ЭЗ, что также находится в согласии с экспериментом (рис. 3, вставка). Отмеченные корреляционные соотношения должны сохраняться продолжительное время на участке формирования области Шоттки О > 0,2 О (рис. 5) плавного спада тока эмиссии (рис. 4, вставка).
100 150 200 250 300 ГГ;*1т 0.2 0.4 0.6 0.6 <7Н /<Уе1
Рис. 3. Расчетный график зависимости плотности тока эмиссии] от энергии эмиссионных электронов Ж при °п / ое1 = 0,9. На вставке экспериментальная зависимость ](Ж).
Рис. 4. Расчетный график зависимости плотности тока эмиссии от степени формирования области Шоттки для разных величин электретного заряда ае1 = 2 • 10_5 С • ст~2 (1),
10“5 С • ст~2 (2), 2 • 10“6 С • ст~2 (з).
Таким образом, зависимость плотности тока эмиссии от величины электретного заряда не является монотонной, проявляя наличие максимума. Поэтому можно проводить оптимизацию величины АЭЭ за счет варьирования электретного заряда. В одноосных сегнетоэлектри-ках ниобата лития одним из способов управления электретным зарядом является электризация при разных взаимных направлениях спонтанной поляризованности Р5, и внешнего электризующего поля Еех1 . При Еех(: < =Р5, формируется только стабильный во времени гомозаряд, при других взаимных направлениях ЕехС и Р электретный заряд после электризации быстро спадает, так как, кроме гомозаряда, формируется гетерозаряд с малым временем релаксации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников // М.: Наука, 1977.
2. 672 с.
3. Бурсиан Э.В., Гиршберг Я.Г.. Когерентные эффекты в сегнетоэлектриках // М.:
4. МГПИ, 1989. 197 с.
5. Павлов А.Н., Трусов Ю.М., Панченко Е.М. Релаксация электретного потенциала в области фазовых переходов в скандониобате свинца // Изв.РАН. Сер. Физич. Т.60, №10, 1996. -Р136-141.
6. Поляроны // Под ред. Фирсова Ю.А. М.: Наука, 1975. 424 с.
7. Электреты // Под ред. Сесслера Г. М.:Мир, 1983. 486 с.
