CC BY
2
Зависимость стационарного тока в сегнетокерамике ВРТС от легирования кобальтом при воздействии излучения оптического
диапазона
1 1 ту 3
А.В. Сопит , Л.В. Жога , Р.В. Диков ' , В.В. Коренева
1 Волгоградский государственный технический университет 2Волгоградский государственный социально-педагогический университет Волгоградская государственная академия физической культуры
Аннотация: В статье представлены результаты исследования фотоэлектрического отклика кобальтсодержащей сегнетоэлектрической керамики ВРТС ((1-х) Ваo,95Pbo,o5TiO3+xCo2O3), находящейся под воздействием излучения оптического диапазона при комнатной температуре. Перед подачей светового излучения на ячеистый электрод керамического образца, в течение 0,5 минут фиксировали нулевое значение тока при отсутствии освещения. Затем, воздействуя излучением, фиксировали фотоотклик в течение времени до момента, когда его значение оставалось постоянным и далее выключали световой поток. Показано значительное влияние концентрации оксида кобальта на величину фотовольтаического тока, проявляющееся в уменьшении величины стационарного тока с ростом содержания примеси оксида кобальта. Предполагается, что возможной причиной уменьшения стационарного тока являются глубокие ловушки зарядов, что обусловлено ростом концентрации кобальта в керамике. Установлено влияние длины волны падающего излучения, а также фактора старения на фотоэлектрический отклик для керамики с наибольшей концентрацией оксида кобальта. Ключевые слова: еегнетокерамика, титанат бария, оксид кобальта, легирование, фотовольтаический ток, фотоотклик, ловушки зарядов, световое излучение.
Введение
Исследование процессов, возникающих в материалах в результате внешнего воздействия, занимает важное место в физике конденсированных состояний и обусловлено практическим применением сегнетоэлектрических материалов в установках для преобразования световой энергии в электрическую. Например, внешние воздействия электрических полей и механических напряжений меняют ширину запрещенной зоны, температуру фазового перехода, электрические [1, 2], оптические и упругие свойства, состояние электронной подсистемы материалов [3, 4], а также влияют на разрушение и долговечность сегнетокерамики [5-7]. Эти явления позволяют изучать как макроскопические, так и микроскопические свойства материалов, а также особенности влияния внешних воздействий на
электрофизические свойства материала. Например, в устройствах памяти важную роль играют временная стабильность поддержания заданной величины электрического поля и время хранения информации в процессе её записи, зависящее от скорости релаксации заряда, нанесённого на керамику. Наиболее существенное влияние на длительность сохранения заряда оказывает электронная проводимость керамики, определяемая концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью [8].
Целью настоящей работы являлось исследование поведения фотоотклика в короткозамкнутых (КЗ) образцах кобальтсодержащей керамики при освещении их светом (с различной длиной волны) при комнатной температуре (Тком).
Образцы и методика измерений
Для исследования фотоотклика использовались образцы сегнетоэлектрической керамики (1-х) Ваo,95Pb0,05TiO3+xCo2O3 (далее ВРТС),
-5
представляющие собой пластинки размерами 6,0*5,0*0,88 мм синтезированные в институте физики твёрдого тела Латвийского университета по обычной керамической технологии. Большие поверхности были покрыты электродами на серебряной основе, а на одном из электродов создавались несколько рядов отверстий диаметром 0,5 мм, на которые направлялось белое излучение от светодиода 5034W2C-DSA-A мощностью
л
0,15 мВт/см или светодиода марки иУ-5 (ультрафиолетовый диапазон с длиной волны Л,=365 нм). Измерение тока при воздействии освещением проводили на короткозамкнутых образцах с использованием чувствительного электрометра В7-30. Подобная методика (освещение через непрозрачные электроды) применялась в [9].
На рисунке 1 изображена структурная блок-схема по измерению временных зависимостей фотоотклика (фототока и пиротока) в
керамических образцах при заданных значениях температуры, фиксируемой
терморегулятором 1. Линза 3 выполняет двойную роль: с одной стороны служит для фокусировки излучения на керамический образец, а с другой стороны исключает тепловое влияние излучения на образец 6 и датчик 11.
Рис. 1. - Блок-схема установки для измерения фототока и пиротока образцов: 1 - терморегулятор; 2 - мультиметр «APPA», фиксирующий показания
датчика температуры (платиновое сопротивление ТПС-100); 3 -измерительная ячейка с вмонтированным источником освещения; 4 -универсальный вольтметр-электрометр В7-30
Испытуемый образец закреплен в ячейке (рис. 2) при помощи пружин с небольшим усилием зажима, что позволяет исключить влияние на образец механических напряжений. Обмотка из нихромовой проволоки 10 и изолированная медная проволока термосопротивления охватывают корпус ячейки. Платиновое сопротивление 11 используется для измерения температуры. Перед подачей светового излучения на ячеистый электрод керамического образца, находящегося в измерительной ячейке, в течение 0,5 минут фиксировали нулевое значение тока при отсутствии освещения с помощью цифрового электрометра высокой чувствительности В7-30. Затем фиксировали фотоотклик в течение времени до момента, когда его значение оставалось постоянным (поскольку аномальный фотовольтаический эффект проявляется в виде постоянных токов текущих вдоль полярных направлений [10]) и только потом выключали световой поток.
1
4
3
2
Рис. 2. - Измерительная ячейка: пластиковая крышка - 2 с вмонтированным светодиодом - 1 и собирающей линзой - 3; обмотка термосопротивления - 4; пружинные держатели для образца, служащие одновременно контактами - 5; образец - 6; винты - 7 для фиксации пластиковой крышки; экранирующая прокладка - 8; металлический цилиндр - 9; нагревательная обмотка - 10;
термодатчик ТПС-100 - 11
Все показания тока цифрового электрометра с временной разверткой передавались на компьютер посредством электронного блока <^-тюго», после чего строили временные зависимости.
Результаты опытов и обсуждения
На рисунке 3 можно наблюдать переходный период возрастания до максимального значения и уменьшения до стационарного тока после включения светового потока. Переходный фотоотклик объясняется наличием пироэффекта, а стационарный - соответствует аномальному фотовольтаическому эффекту (АФЭ) [11], причем величина АФЭ зависит от вида примесей и их количественного содержания в материале [10, 11].
Анализ кинетических зависимостей фотоотклика в короткозамкнутых образцах керамики ВРТС представленных на рис. 3 и 4 указывает, что
и
величина стационарного тока в керамике зависит и от концентрации кобальта в составе сегнетокерамики и от длины волны падающего на образец света.
Рис. 3 - Временные зависимости плотности фототокав режиме КЗ в сегнетокерамике (1-х) Ваo,95Pb0,05TЮ3+xCo2O3 ^=0; 0,1 и 0,5 вес. %) при
Рис. 4. - Временные зависимости плотности фототокав режиме КЗ в сегнетокерамике (1-х) Ваo,95Pb0,05TiO3+xCo2O3 ^=0,5 вес.%) при воздействии излучении оптического и ультрафиолетового (Л,=365 нм) диапазонов; пунктирные линии - значения величины фотовольтаического тока
В нашем случае плотность стационарного тока уменьшается при увеличении концентрации кобальта в сегнетокерамике (рис. 5). Более низкие значения величины как максимального, так и стационарного токов при воздействии ультрафиолетовым излучением связаны с тем, что для непрозрачного керамического образца наблюдается существенное рассеяние УФ излучения в приповерхностном слое по сравнению с излучением оптического диапазона, при котором значительный вклад в фотоотклик в момент подачи излучения на образец обусловлен пиротоком.
Из рисунка 5 видно, что зависимость стационарного тока от процентного содержания кобальта в образце в пределах изученных концентраций носит линейный характер. Учитывая результаты работы [12] можно предположить что в керамике после легирования кобальтом образуются глубокие ловушки зарядов, которые снижают число возможных носителей зарядовз т.е. эта присадка существенно снижает проводимость ВРТС.
Рис. 5. - Зависимость стационарного (фотовольтаического) тока от концентрации оксида кобальта в керамике (1-x)Bao.95Pb0.05TЮз+xCo2Oз (х=0, 0.1 и 0.5 вес.%); точки - экспериментальные данные, пунктир - линейная
аппроксимация
Согласно [13], эксплуатация сегнетоэлектрических материалов неизбежно связана с таким явлением, как старение (деградация
0,2-
0,1-
0,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 х, пес.%
и
характеристик материала с течением времени), которое сопровождается закреплением доменов на дефектах кристаллической решетки. Процессы старения в сегнетокерамике приводят к ухудшению её электрофизических свойств [13], поэтому один из вопросов настоящего исследования заключался в выявлении влияния фактора старения на величину фотоотклика в керамике ВРТС с концентрацией примеси кобальта х=0,5 (рис. 6).
Рис. 6 - Временные зависимости плотности фототокав сегнетокерамике
(1-х) Ваo,95Pb0,05TiOз+xCo2Oз ^=0,5 вес.%) при воздействии оптического диапазона при Тком: а - для образца без старения и б - состаренного образца (выдержка при Тком в течение 7 суток), на вставках петли поляризации, полученные на частоте 10Гц при соответствующей предыстории
Из рисунка 6 видно, что величина стационарного тока, а также величина остаточной поляризации, полученная из петель поляризации (ПП) (вставки на рис. 6), в состаренном образце значительно уменьшаются. Данный факт подтверждает вывод о деградации физических свойств при старении и связан с взаимодействием дефектов кристаллической структуры различной природы с одной стороны, и свободных носителей и\или доменных границ (ДГ) с другой. Одним из возможных механизмов взаимодействия является захват дефектами «ловушками» свободных носителей заряда или, в более крупных масштабах, закрепление ДГ на рельефе дефектов, что будет приводить к уменьшению их подвижности и ослаблению вклада в электрофизический отклик материала. В частности, о закреплении (пиннинге) ДГ дефектами на состаренных образцах свидетельствует появление перетяжки (вставках рис. 6б). Таким образом, уменьшение величины стационарного тока (проявление явления АФЭ) как при старении, так и при легировании оксидом кобальта, по-видимому, обусловлено схожим механизмом - захватом свободных носителей заряда локализованными «ловушками», но при увеличении концентрации СО2 -увеличивается их концентрация, а при старении связано с релаксационной природой экспоненциально уменьшения параметров со временем.
Заключение
Результаты настоящей работы при исследовании фотоотклика в КЗ образцах кобальтсодержащей керамики ВРТС при освещении светом (с различной длиной волны) при комнатной температуре показали наличие АФЭ, проявляющегося в наличии стационарного тока.
Вероятной причиной уменьшения стационарного тока в керамике ВРТС являются глубокие «ловушки» зарядов, что обусловлено ростом концентрации кобальта в керамике.
К уменьшению величины стационарного тока при исследовании АФЭ приводят и процессы старения в сегнетокерамике ВРТС.
Литература
1. Brody P.S., Rod B.J. Photovoltages in ferroelectric films // Integrated Ferroelectrics. 1992. V. 11. № 1-4. Р. 1-11.
2. Lee J., Esayan S., Prohaska J., Safari A. Reversible pyroelectric and photogalvanic current in epitaxial Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 thin films // Applied Physics Letters. 1994. V. 64. № 3. P. 294-296.
3. Thakoor S., Olson E., Nixon R. H. Optically addressed ferroelectric memory and its applications // Integrated Ferroelectrics. 1994. V. 4. № 3. P. 257-269.
4. Леманов В.В., Сотников А.В., Юшин Н.К. Термосегнетооптическая запись информации в сегнетоэлектрических пленках // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 1. С. 61-64.
5. Панич А.А., Мараховский М.А., Мотин Д.В. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики // Инженерный вестник Дона. 2011. №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/325
6. Жога Л.В., Шильников А.В., Шпейзман В.В. Влияние электрического поля на разрушение сегнетокерамики // Физика твердого тела. 2005. № 47. Вып. 4. С.628-632.
7. Жога Л.В., Коренева В.В., Диков Р.В. Особенности зависимости тока переполяризации в сегнетокерамике от взаимной ориентации вектора напряженности электрического поля и остаточной поляризации // Инженерный вестник Дона. 2022. №7. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n7y2022/7804
8. Борисов В.Л., Борисова М.Э. Определение подвижности носителей заряда в прозрачной сегнетокерамике // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2013. № 3(177). С. 42-47.
9. Ярмаркин В.К., Гольцман Б.М., Казанин М.М., Леманов В.В. Барьерные фотовольтаические эффекты в сегнетоэлектрических тонких пленках PZT // Физика твердого тела. 2000. № 42. Вып. 3. С. 511-516.
10. Магомадов Р.М. Фотоэлектрические, кинетические явления и эффекты памяти в сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках и сегнетоэластиках: автореф. дис. ... д-р ф.-м. наук: 01.04.07. Грозный. 2014. 25 с.
11. Фридкин В.М., Попов Б.Н. Аномальный фотовольтаический эффект в сегнетоэлектриках. // УФН. 1978. Т. 126, Вып. 4. С. 657.
12. Markiewicz E., Bujakiewicz-Koronska R., Majda D., Vasylechko L., Kalvane A., Matczak M. Effect of cobalt doping on the dielectric response of Ba0.95Pb0.05Ti03 ceramics // Journal of Electroceramics. 2014. V.32. P. 92-101.
13. Levanyuk A.P., Sigov A.S. Defects and Structural Phase Transitions. Gordon and Breach Science Publishers, 1988. Р. 208.
References
1. Brody P.S., Rod B.J. Integrated Ferroelectrics. 1992. V. 11. № 1-4. рр. 1-11.
2. Lee J., Esayan S., Prohaska J., Safari A. Applied Physics Letters. 1994. V. 64. № 3. рр. 294-296.
3. Thakoor S., Olson E., Nixon R.H. Integrated Ferroelectrics. 1994. V. 4. № 3. рр. 257-269.
4. Lemanov V.V., Sotnikov A.V., Jushin N.K. Pis'ma v ZhTF. 1993. T. 19. Vyp. 1 . рр. 61-64.
5. Panich A.A., Marahovskij M.A., Motin D.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2011. №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/325
6. Zhoga L.V., Shil'nikov A.V., Shpejzman V.V. Fizika tverdogo tela. 2005. № 47. Vyp. 4. pp.628-632.
7. Zhoga L.V., Koreneva V.V., Dikov R.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2022. № 7. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n7y2022/7804.
М Инженерный вестник Дона, №8 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2022/7862
8. Borisov V.L., Borisova M.Je. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbGPU. Fiziko-matematicheskie nauki. 2013. № 3(177). pp. 42-47.
9. Jarmarkin V.K., Gol'cman B.M., Kazanin M.M., Lemanov V.V. Fizika tverdogo tela. 2000. № 42. Vyp. 3. pp. 511-516.
10. Magomadov R.M. Fotojelektricheskie, kineticheskie javlenija i jeffekty pamjati v segnetojelektrikah, p'ezojelektrikah i segnetojelastikah [Photoelectric, kinetic and memory effects in ferroelectrics, piezoelectrics and ferroelastics]: avtoref. dis. ... d-r fiz. - mat. nauk: 01.04.07. Groznyj, 2014. P. 25.
11. Fridkin V.M., Popov B.N. UFN. 1978. T. 126. Vyp. 4. 657 p.
12. Markiewicz E., Bujakiewicz-Koronska R., Majda D., Vasylechko L., Kalvane A., Matczak M. Journal of Electroceramics. 2014. V.32. pp. 92-101.
13. Levanyuk A.P., Sigov A. S. "Defects and Structural Phase Transitions." Gordon and Breach Science Publishers, 1988. P. 208.
