Термо- и фотоиндуцированные процессы переполяризации в сегнетоэлектриках и сегнетоэлектриках-полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

/А Л <2 'Г/О-.-.......—> "7 / -__

иб -О '-ос. / /(Г^

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

/ Ми*- ^

' / * V <«/' / , / -и'

/2- А

с/ На правах рукоииси

' Х- С < - С *■ < г' • 2-- - • • ________

БОГОМОЛОВ АЛЕКСЕИ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕРМО - И ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ-ПОЛУПРОВОДНИКАХ

01.04.07 - Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ТВЕРЬ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................•..............................................5

ГЛАВА I. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ

(обзор).........................................................................................................12

ЧАСТЬ I. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ И ЭФФЕКТ БАРКГАУЗЕНА................12

1.1. Общие сведения о процессах переполяризации сегнетоэлектриков.................12

1.2. Скачкообразные процессы переполяризации в сегнетоэлектриках..................18

1.3. Механизмы возникновения скачкообразных процессов переполяризации.........26

1.4. Разновидности эффекта Баркгаузена.......................................................29

1.5. Процессы переполяризации и поверхностные эффекты в сегнетоэлектриках.....36

ЧАСТЬ II. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ..........................................41

1.6. Пироэффект в кристаллах группы ТГС (общие сведения).............................41

1.7. Экспериментальные методы исследования пйроэффекта..............................45

1.8. Пироэлектрические свойства приповерхностных слоев и тонкослойных сегнетоэлектриков..............................................................................50

1.9. Нелинейные явления в пироэффекте (скачкообразные процессы переполяризации), вызванные воздействием тепловых потоков большой плотности..........................................................................................54

1.10. Перестройка доменной структуры сегнетоэлектриков, индуцированная непрерывным изменением температуры.................................................59

1.11. Механические и диэлектрические потери сегнетоэлектрических кристаллов в условиях неравновесного состояния системы.............................................60

1.12. Термостимулированная эмиссия электронов...........................................61

1.13. Излучение электромагнитных и акустических волн сегнетоэлектриками при изменении температуры.....................................................................63

1.14. Аномалии физических свойств водородсодержащих сегнетоэлектрических и пироэлектрических кристаллов, подвергнутых воздействию термоудара........64

ГЛАВА II. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ БАРКГАУЗЕНА В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ И

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ-ПОЛУПРОВОДНИКАХ.................................................66

2.1. Тепловой эффект Баркгаузена в естественно и предварительно

поляризованных образцах сегнетоэлектрических кристаллов.......................66

2.2. Влияние постоянного электрического поля на тепловой эффект Баркгаузена........................................................................................69

2.3. Электрические поля термического происхождения в сегнетоэлектрических кристаллах при непрерывном изменении температуры...............................73

2.4. Тепловой эффект Баркгаузена и температурные механические напряжения в сегнетоэлектрических кристаллах...........................................................79

ГЛАВА III. НЕЛИНЕЙНЫЙ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ ГРУППЫ ТГС, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ПРОЦЕССАМИ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ..............82

3.1. Экспериментальные наблюдения нелинейных пироэлектрических явлений в кристаллах группы ТГС, обусловленных процессами переполяризации..........82

3.2. Влияние температуры и внешнего электрического поля на нелинейные •пироэлектрические явления в кристаллах группы ТГС.................................88

3.3. Аномальные пироэлектрические петли гистерезиса в кристаллах

группы ТГС.....................................................................................94

3.4. Релаксационные явления в нелинейном пироэлектрическом эффекте.. _.........103

3.5. Процессы зародышеобразования в монокристаллах ТГС и ДТГС, вызванные воздействием теплового потока............................................................109

3.5.1. Экспериментальные результаты (температурные и частотные зависимости скачкообразных процессов переполяризации).................109

3.5.2. Анализ формы электрического отклика, сопровождающего процесс зарождения и расширения доменов термического происхождения.......118

3.5.3. Возбуждение механических колебаний скачкообразными процессами переполяризации в сегнетоэлектрических кристаллах.....:.................124

3.5.4. Визуальное наблюдение термоиндуцированных процессов локальной переполяризации в кристаллах группы ТГС поляризационно-оптическим методом с помощью НЖК.........................................................128

3.6. Влияние естественной униполярности на нелинейный пироэффект в кристаллах группы ТГС.....................................................................131

3.7. Расчет электрических полей термического происхождения в сегнетоэлектрических кристаллах, возникающих при воздействии на них модулированных тепловых потоков.......................................................140

3.8. Термически активированные процессы перецоляризации в сегнетоэлектриках-полупроводниках SbSI, S112P2S6...................................153

ГЛАВА IV. ТЕРМИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН............................................................................158

4.1. Ток переключения, индуцированный импульсным воздействием УЗВ, в

кристаллах ВаТЮз , ТГС при квазистатическом изменении электрического состояния образца...........................................................................159

4.2. Скачкообразные процессы переполяризации, индуцированные УЗ импульсом, в монокристаллах ТГС, СС, SbSI.............................................................164

4.3. Влияние УЗ волны на величину диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического кристалла..........................................................172

ГЛАВА V. ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ - ПОЛУПРОВОДНИКАХ SbSI, Sn2P2S6.............................181

5.1. Ускорение процессов установления поляризации монокристаллов SbSI,

S112P2S6 под воздействием освещения....................................................182

5.2. Процессы деполяризации (полидоменизации) в монокристаллах SbSI и "Sn2P2S6, обусловленные экранированием внешних электрических полей........197

5.3. Нелинейные фото- и пироэлектрические явления в монокристаллах сегнетоэлектриков-полупроводников SbSI и Sml^Sr,, индуцированные воздействием лазерного излучения........................................................211

ГЛАВА VI. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ТЕРМО - И ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ....................................................................................215

6.1 .Расчет формы пироотклика при наличии в кристалле приповерхностных

слоев...............................................................................................215

6.2. Приповерхностные слои с особыми пироэлектрическими свойствами в кристаллах группы ТГС.......................................................................218

6.3. Пироэлектрические свойства приповерхностных слоев кристаллов сегнетоэлектрика-полупроводника S^PiSö.................................................234

6.4. Влияние поверхностных слоев на формирование термо- и фотоиндуцированных процессов переполяризации сегнетоэлектрических кристаллов......................240

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................242

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................245

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Как известно, одной из задач физики твердого тела является изучение отклика системы на внешние воздействия. В их качестве могут выступать электрические и магнитные поля, тепловой поток. Последний вид воздействия может приводить не только к изменению температуры объекта, но и к возникновению неравновесного состояния системы, являющегося следствием неоднородного нагрева. Даже однородное изменение температуры твердого тела может являться источником электрических полей различной природы. Одним из таких явлений, известных с незапамятных времен, является пироэлектричество. Первичный и вторичный пироэффект имеют место при однородном изменении температуры, третичный - при неоднородном. В металлах и полупроводниках неоднородный нагрев приводит к возникновению термоэдс. В последние годы пристальное внимание вызывают эффекты, возникающие вследствие неоднородного распределения температуры в диэлектриках. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен термополяризационный эффект, который имеет место во всех кристаллах, в том числе и в центр о симметричных диэлектриках. Таким образом, можно считать, что возникновение электрических полей при создании неоднородного распределения температуры выступает как универсальное свойство твердого тела. Природа появления электрических полей, возникающих при неоднородном изменении температуры в пироэлектриках и сегнетоэлектриках, находится в начальной стадии изучения. В частности, нарушение равновесности состояния сегнетоэлектрика и возникающие при этом электрические поля термического происхождения не могут не сказаться на устойчивости монодоменного состояния образца. Нарушение монодоменности и есть по существу процесс переполяризации.

Все экспериментальные методики наблюдения пироэлектрического эффекта подразумевают процесс изменения температуры. Возникающие при этом электрические поля могут приводить к появлению зародышей доменов, т.е. к возникновению тока переполяризации, который будет давать определенный вклад в пироток. Естественно возникает проблема выделения тока переполяризации из общего отклика.

Помимо градиента температуры источником неравновесности состояния являются звуковой и световой потоки. Поэтому представляется вполне обоснованным проведение исследований процессов переполяризации, вызванных воздействием звуковых и световых потоков. Тем более, что в первом случае в неравновесном состоянии находятся как базис

решетки, так и электронная подсистема, а во втором случае неравновесность возникает только в электронной подсистеме.

Детальное исследование процессов переполяризации термического происхождения необходимо как с целью выяснения роли различных механизмов в (зарождение, торцевое движение, боковое движение доменных стенок) в этих процессах, так и для понимания причин устойчивости монодоменного (униполярного) состояния. Анализируя процессы переполяризации неэлектрического происхождения, естественно определить место их основной локализации.

Состояние проблемы.

К началу постановки настоящей работы в литературе имелся отрывочный материал о влиянии неравновесных условий на устойчивость монодоменного состояния и н"а протекание процессов переполяризации сегнетоэлектриков. Оставались практически не изученными явления, связанные с нелинейным пироэффектом, обусловленным перестройкой доменной структуры. Важность этих исследований в практическом аспекте определяется широким применением монокристаллов семейства ТГС для пироэлектрических приемников излучения. На момент начала исследований отсутствовали исследования по влиянию неравновесной электронной подсистемы на процессы переполяризации и устойчивость поляризованного состояния в сегнетоэлектриках-полупроводниках.

Дель работы.

Комплексное изучение процессов переполяризации, обусловленных неравновесностью состояния макроскопической поляризации и возникающих в кристаллах сегнетоэлектриков и сегнетоэлектриков-полупроводников при термическом, акустическом и оптическом воздействиях; развитие представлений о физической природе и механизмах этих явлений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование нелинейных пироэлектрических явлений, обусловленных процессами переполяризации вследствие существования неоднородности объемного распределения теплового поля в сегнетоактивных кристаллах с фазовыми переходами первого и второго рода.

2. Создание прецизионной экспериментальной методики, позволяющей выделять нелинейную составляющую пироэлектрического сигнала.

3. Изучение особенностей поведения нелинейного цироэффекта в зависимости от типа кристалла, температуры и внешних полевых воздействий.

4. Выделение и исследование отдельных стадий процесса перестройки (переключения) доменной структуры модельных сегнетоэлектриков группы ТГС, вызванного неоднородным тепловым воздействием на кристалл.

5. Разработка модели возникновения электрических полей термического происхождения, обусловленных наличием в кристалле температурных градиентов; расчет этих полей для модельного сегнетоэлектрика ТГС и сопоставление расчетных данных с результатами эксперимента.

6. Изучение процессов переполяризации сегнетоэлектриков, индуцированных воздействием ультразвуковых (УЗ) волн.

7. Установление влияния оптического возбуждения электронной подсистемы на кинетику процессов перестройки доменной структуры в сегнетоэлектриках-полупроводниках.

8. Экспериментальное исследование и анализ вклада приповерхностных слоев сегнетоэлектриков и сегнетоэлектриков-полупроводников в формирование термо-и фотоиндуцированных процессов перестройки доменной структуры.

Объекты исследований и методика эксперимента.

Основными объектами исследования термоиндуцированных процессов переполяризации (нелинейных пироэлектрических явлений) были кристаллы группы триглицинсульфата (ТГС), титаната бария (ВаТЮ3), дигидрофосфата калия (КОР). Использовались кристаллы, выращенные в различных научных центрах. Это исключает случайную природу наблюдаемых эффектов, связанную с условиями роста.

Влияние электронной подсистемы, индуцированной воздействием фотоактивного света на процессы переполяризации, изучалось на кристаллах сульфоиодида сурьмы (8Ь81), тиогиподифосфата олова (БпгРгБб), выращенных соответственно в Институте кристаллографии РАН и Ужгородском госуниверситете.

При выполнении работы использовался набор методик и установок: квазистатический и динамический методы исследования пироэлектрических свойств кристаллов; установки по изучению процессов переполяризации и эффекта Баргаузена, по исследованию диэлектрических и фотоэлектрических свойств сегнетоэлектриков; поляризационно-оптический метод наблюдения доменной структуры с использованием нематических жидких кристаллов (НЖК).

Научная новизна.

1. Обнаружен и исследован "тепловой эффект Баркгаузена" (ТЭБ), заключающийся в возникновении скачков переполяризации при непрерывном изменении температуры естественно-униполярных и монодоменизированных образцов сегнетоэлектрических монокристаллов.

2. Предложен качественный механизм, объясняющий природу ТЭБ процессами зарождения доменов обратного знака под действием деполяризующего электрического поля термического происхождения, возникающего из-за наличия в кристалле градиентов температуры.

3. Показано, что в сегнетоэлектрических кристаллах группы ТГС пироэлектрический эффект, наблюдаемый в динамическом режиме, носит нелинейный характер в зависимости от плотности теплового потока, падающего на образец. Впервые установлены основные закономерности нелинейного пироэффекта в сегнетоэлектрических кристаллах: "существование пороговых плотностей теплового потока, зависящих от наличия в кристалле дефектов, от температуры и внешнего постоянного электрического поля; аномальность петель пироэлектрического гистерезиса в полях порядка коэрцитивного; релаксационный характер поведения нелинейного пироэлектрического сигнала во времени. Нелинейность пироэлектрического отклика при плотностях теплового потока выше пороговых (критических) значений обусловлена процессами перестройки доменной структуры термического происхождения.

4. Воздействие продольных УЗ-волн, направленных вдоль полярной оси, индуцирует процессы поляризации и деполяризации в сегнетоэлектриках и сегнетоэлектриках-полупроводниках.

5. Установлено, что в сегнетоэлектриках-полупроводниках оптически возбужденная электронная подсистема оказывает влияние на неравновесную доменную структуру, ускоряя процесс ее перехода в равновесное состояние.

6. Экспериментально показана и физически обоснована возможность возбуждения механических колебаний образцов сегнетоэлектрических кристаллов импульсами от скачков Баркгаузена.

Выносимые на защиту научные положения.

1. В неравновесных тепловых условиях, создаваемых неоднородным изменением температуры, в сегнетоэлектрическом монокристалле возникает внутреннее электрическое поле термического происхождения, которое становится причиной

разрушения устойчивого униполярного состояния. Для модельного сегнетоэлектрика ТГС найдены аналитические выражения для напряженности этого поля в случаях: а) непрерывного изменения температуры образца, б) облучения образца стационарным и модулированным тепловыми потоками.

2. Тепловой эффект Баркгаузена - возникновение скачков переполяризации в отсутствие внешних электрических полей под' действием внутренн�