Влияние дефектов радиационной природы на диэлектрическую релаксацию сегнетокерамики цирконата - титаната свинца, модифицированной лантаном, и скандониобата свинца в области низких и инфранизких частот тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ШИШЛОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ РАДИАЦИОННОЙ ПРИРОДЫ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ РЕЛАКСАЦИЮ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ ЦИРКОНАТА - ТИТАНАТА СВИНЦА, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛАНТАНОМ, И СКАНДОНИОБАТА СВИНЦА В ОБЛАСТИ НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ.

(Специальность 01.04.07 -физика твердого тела)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

Действительный член АИН РФ, Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико - математических наук, профессор Шильников A.B.

кандидат физико-математических наук, доцент Бурханов А.И.

Волгоград-1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ__ 5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ ПРИ

ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ_¿7

§1.1.Радиационное облучение как один из видов воздействия на

диэлектрические свойства сегнетоэлектриков_ 17

§1.2. Структура сегнетокерамики цирконата- титаната свинца,

модифицированной лантаном (ЦТСЛ)._32

§1.2.1 Диэлектрические свойства сегнетокерамики ЦТСЛ_35

§1.2.2 Дефектность структуры сегнетокерамики ЦТСЛ__55"

§1.2.3 Фазовое состояние и фазовый переход в ЦТСЛ

керамике_____37^

§1.2.4 Структура, дефектность, фазовое состояние и фазовый переход в СНС керамике ____ 38

ГЛАВА 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА, МЕТОДИКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ_нг

§2Л.Измерительная аппаратура.___

§2.2.Методика диэлектрических измерений.____ Ц5

§2.2.1.Частотно-температурные зависимости комплексной диэлектрической

проницаемости е*(у,Т)._Ц5

§2.2.2 Временные зависимости диэлектрической проницаемости е'СО-_

§2.2.3 Зависимости диэлектрической проницаемости от прикладываемого

механического напряжения._Ц7

§2.2.4. Подготовка образцов для диэлектрических измерений._47

ГЛАВА 3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОКЕРАМИКИ ЦТСЛ ДО И ПОСЛЕ РАЗЛИЧНОГО ВИДА ГАММА -И НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ В НИЗКО-II ИНФРА- НИЗКОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПОЛЕЙ

§3.1. Низко- и инфранизкочастотные диэлектрические свойства исходной (до облучения) сегнетокерамики типа ЦТСЛ-х/65/35 в широкой области

температур._НЗ

§3.2. Обсуждение результатов_56

§3.3. Влияние гамма-облучения на характер температурной зависимости

комплексной диэлектрической проницаемости в*(у,Т) в ЦТСЛ-х/65/35._£0

§3.4. Обсуждение результатов_£5"

§3.5. Влияние смешанного гамма-нейтронного облучения (с преобладанием гамма облучения) на характер температурной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости е*(у,Т) в ЦТСЛ-

х/65/35._._св

§3.6. Обсуждение результатов_77

§3.7. Влияние смешанного нейтронно-гамма облучения ( с преобладанием нейтронного облучения) на характер температурной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости е*(у,Т) в ЦТСЛ-

х/65/35.__80

§3.8. Обсуждение результатов_

§3.9. Влияние различных доз радиационного облучения на диэлектрический

отклик сегнетокерамики ЦТСЛ-х/65/35 в сильных измерительных полях_87

§3.10. Обсуждение результатов_37

ГЛАВА 4. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ЭФФЕКТЫ СТАРЕНИЯ В НЕОБЛУЧЕННОЙ И РАДИАЦИОННО-ОБЛУЧЕННОЙ СЕГНЕТОКЕРАМИКЕ ЦТСЛ.

§4.1 Влияние смешанного гамма и гамма-нейтронного облучения на долговременные процессы релаксации диэлектрической поляризации в

прозрачной сегнетокерамике ЦТСЛ-7/65/35._33

§4.2.0бсуждение результатов ___106

§4.3 Частотные зависимости диэлектрической проницаемости е*(у) в необлученной и гамма-нейтронно облученной сегнетокерамике ЦТСЛ-

х/65/3 5._108

§4.4. Обсуждение результатов_11&

§4.5 Влияние нейтронного облучения на частотные зависимости г'(у) и е"(у) в

ЦТСЛ-9/65/35._

§4.6 Обсуждение результатов__/21

§4.7 Влияние различного типа облучения на эффекты термической и

механической памяти в ЦТСЛ-х/65/35 _{23

§4.8 Обсуждение результатов ___{2?

ГЛАВА 5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО -ОБЛУЧЕННОЙ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ СКАНДОНИОБАТА СВИНЦА

СНС_№

§5.1 Низко-и инфранизкочастотные диэлектрические спектры е'(у), е"(у)

необлученной (исходной) сегнетокерамики СНС_128

§5.2 Обсуждение результатов__{'30

§5.3 Низко-и инфранизкочастотные диэлектрические спектры 8'(у),в

электронно-облученной сегнетокерамике СНС__0/

§5.4 Обсуждение результатов__{35

§5.5 Частотно-температурные зависимости е*(у,Т) в СНС_{$3

§5.6 Обсуждение результатов__158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_133

ЛИТЕРАТУРА_Ш

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Проблема влияния дефектов структуры кристаллов на их макроскопические физические свойства (в том числе диэлектрические) стала в последние десятилетия одной из доминирующих и весьма существенной частью физики твердого тела и физического материаловедения [1,2]. Связано это с тем, что точечные дефекты (ТД) , дислокации, дефекты упаковки, доменные (ДГ) и межфазные (МФГ) границы, а также другие несовершенства структуры, неизбежно существующие в кристалле, определяющим образом влияют на его макроскопические физические свойства и процессы протекания фазовых переходов (ФП) , управляют процессами диффузии и пластической деформации. Без достаточно глубокого понимания природы дефектов структуры, их свойств и строения, невозможно эффективное использование моно- и поликристаллов в современной технике, в особенности использующей микро - и нано-технологии, а также существенное продвижение в развитии современных теоретических представлений, отражающих данную проблему.

В последние годы непрерывно расширяется круг материалов и готовых изделий ( приборов электронной, оптической и другой техники), к которым предъявляются определенные требования радиационной стойкости, т.е. способности работать, не теряя исходных (заданных) свойств, в условиях интенсивного облучения или после радиационного воздействия.

Кроме того, радиационное легирование, радиационно-управляемая диффузия и ряд других радиационных методов [3] стали современными и независимыми приемами получения материалов с высокими техническими характеристиками, применяющихся в качестве различных функциональных элементов в радиоэлектронике, что определяет актуальность исследования механизмов взаимодействия исходно существующих дефектов структуры материала с радиационными дефектами.

Ч-»

Известно [4-8], что анализ диэлектрических спектров позволяет идентифицировать механизмы, ответственные за поляризацию и потери, и в конечном счете составить суждение о физике процессов, приводящих к возникновению различных фазовых состояний в сегнетоэлектриках. С этих позиций особый интерес представляют исследования инфра- и низкочастотных диэлектрических спектров сегнетоэлектрических кристаллов и керамик, так как именно в этой области частот можно ожидать проявления существенных особенностей в их диэлектрическом отклике, адекватно отражающих дефектную структуру материалов.

Поэтому экспериментальное изучение методами низко- и инфранизкочастотной диэлектрической спектроскопии физических свойств сегнетоэлектриков, подвергнутых различным видам внешних воздействий и, в частности, облучению, может дать большую информацию как для решения технических вопросов применения сегнетоматериалов, так и для дальнейшего понимания природы процессов, протекающих при радиационном повреждении этих материалов.

Настоящая диссертационная работа выполнена по госбюджетной научно-исследовательской теме ВолгГАСА: "Низко - и инфра-низкочастотная диэлектрическая спектроскопия сегнетоэлектриков и родственных материалов." (проект № 37-73-10 ), а также грантам Российского Фонда Фундаментальных Исследований по теме "Влияние доменных и фазовых границ, а также дефектов недоменной природы, на макроскопические физические свойства некоторых пьезо-сегнетоэлектрических монокристаллов и керамик"(проект № 95-02-06366а).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы заключалась в исследовании влияния радиационного облучения на низко- и инфранизкочастотные диэлектрические свойства различных составов прозрачной сегнетокерамики цирконата-титаната свинца, модифицированной лантаном (ЦТСЛ) и скандониобата свинца

(СНС) в широкой области температур и в широком диапазоне измерительных полей. При этом решались следующие задачи:

1. Изучение влияния гамма (Г)- и смешанного гамма-нейтронного (ГН) облучений на параметры низко (НЧ)- и инфранизкочастотных (ИНЧ) диэлектрических спектров сегнетокерамики ЦТСЛ в ультраслабых синусоидальных полях в широком интервале температур, включающем окрестности фазовых переходов (ФП).

2. Исследование влияния Г и ГН облучения на протекание сверхмедленных процессов релаксации диэлектрической поляризации (РДП) как в ультраслабых, так в средних (промежуточных) и сильных измерительных полях в прозрачной сегнетокерамике ЦТСЛ.

3. Изучение влияния дорадиационной предыстории материала на характер его диэлектрического отклика после облучения.

4.Изучение влияния электронного (е) облучения на поведение параметров НЧ и ИНЧ диэлектрических спектров сегнетокерамики СНС, в широком интервале температур, включающем окрестности фазовых переходов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

-Впервые проведены экспериментальные исследования влияния различного рода радиационного облучения на ИНЧ диэлектрический отклик сегнетокерамик ЦТСЛ и СНС в широком интервале температур.

-Впервые проведено исследование эволюции вида петель поляризации (ПП) и переполяризационных характеристик в синусоидальных полях инфранизкой частоты в широком температурном интервале, для различных составов сегнетокерамики ЦТСЛ, подвергнутых радиационному облучению.

-Впервые проведено комплексное исследование влияния дорадиационной предыстории на диэлектрический отклик облученных материалов ЦТСЛ и СНС.

-Впервые изучено воздействие механического давления на диэлектрические свойства облученной сегнетокерамики ЦТСЛ.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Полученные результаты настоящей работы могут являться существенным экспериментальным обоснованием к развитию теории дефектообразования в радиационно-облученных материалах, а обнаруженные эффекты необходимо учитывать при развитии новых теоретических подходов в создании последнего поколения электронных и оптических приборов на основе прозрачной сегнетокерамики ЦТСЛ и СНС.

В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ выбраны сегнетоэлектрические твердые растворы (СЭТР) системы цирконата-титаната свинца модифицированного лантаном (РЬ1.хЬах (2г0_65Т10_35)].х/4 ), сокращенно ЦТСЛ-Х/65/35 , где 65/35 -Ъх!Х\, Х- содержание лантана (Ьа) в ат.% , и системы скандониобата свинца (РЬ (8с|/2№>1/2)03 ), сокращенно -СНС. Данные поликристаллические материалы при соответствующих значениях Ьа (ЦТСЛ) или при соответствующем соотношении компонент твердого раствора СНС представляют собой прозрачную сегнетокерамику, которая имеет важное практическое применение. По ряду физических свойств эти материалы занимают промежуточное положение между собственно сегнетокерамикой и сегнетоэлектрическими (СЭ) монокристаллами с размытым фазовом переходом (РФП), вследствие чего данные объекты представляют большой интерес как в чисто научном плане, так и в связи с перспективностью применения их в технике.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Г- и ГН-облучение сегнетокерамики ЦТСЛ приводит в одних случаях- к уменьшению эффективной глубины дисперсии Де, значений е' и е" в низкочастотном диапазоне ультраслабых измерительных полей, а в других

случаях- к увеличению данных параметров в ИНЧ диапазоне. Это связывается с перераспределением частот релаксации таких релаксирующих объектов в материале, как ДГ, МФГ, а также полярные нанообласти (ПНО).

2. Смешанное нейтронно-гамма облучение (НГ) (когда преобладает нейтронное облучение) ЦТСЛ с различной концентрацией Ьа приводит к уменьшению е', в", Ас во всем диапазоне измерительных частот (НЧ и ИНЧ). Это связывается с образованием сильных внутренних механических напряжений, которые способны полностью "выключать" выше названные объекты-релаксаторы из процесса релаксации поляризации в данных составах ЦТСЛ.

3. Интегральные диэлектрические параметры (максимальная поляризация (Ргаах), остаточная поляризация (Рост), выявленные из анализа ПП), характеризующие отклик исследуемой системы ЦТСЛ с содержанием Ьа=6ат% и 8ат% в сильных измерительных полях при Г и ГН облучении уменьшаются. При содержании Ъа=7ат% Г и ГН облучение в определенном интервале доз приводит к увеличению значений Ртах и Р0СТ.

4. В Г, ГН и НГ облученном образце ЦТСЛ изменение эффективной глубины НЧ и ИНЧ дисперсии (Аб) с течением времени (старение) следует логарифмическому закону Ав(*:)=А- где ^ - начальное время, А -глубина дисперсии е при 1=1:0 ( Ас(10) ), В- величина, характеризующая быстроту изменения Аб(Т).

5. ГН и НГ облучение приводит к практически полному исчезновению эффектов механической (ЭМП) и термической (ЭТП) памяти, являющихся следствием долговременной релаксации поляризации в неупорядочной структуре типа сегнетокерамики ЦТСЛ. Отсутствие ЭМП и ЭТП обусловлено, в первую очередь, закреплением (стабилизацией) различного типа релаксаторов дополнительными дефектами, возникшими при облучении.

6. Электронное облучение сегнетокерамики СНС , также как Г и ГН облучение ЦТСЛ приводит к перераспределению имеющихся в данном

материале релаксаторов по вероятным частотам релаксации и закреплению этих релаксаторов в полях образовавшихся дефектов, что выражается в уменьшении Ае и е" с увеличением дозы облучения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты , изложенные в диссертации, докладывались на: XIII конференции по физике сегнетоэлектриков ( Тверь, 1992); Международной конференции по физике диэлектриков "ДИЭЛЕКТРИКИ -93" (Санкт-Петербург, 1993г.); Международной научно-технической конференции по физике "Релаксация-94" (Санкт-Петербург, 1994г.); Европейской сессии по сегнетоэлектрикам (Ниймеген; Нидерланды, 1995г.); 6-ом международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж 1995г.), XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995г.); Международном симпозиуме по доменным структурам (Вена, Австрия, 1996г.), Международной конференции по исследованию и применению оптических материалов (Рига, Латвия, 1996г.); 1,2 и 3-ей Межвузовских научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Волгоград 1994г., 1995г., 1996г.).По итогам 2 и 3-й конференций представленные доклады отмечены дипломами и денежной премией; Международной научно-практической конференции Пьезотехника-97 (Обнинск 1997г.); IX Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругим явлениям в твердых телах (Тула 1997г.); 8-ом Международном симпозиуме по физике сегнетоэлектриков-полупроводников (Ростов-на Дону 1998г.).

ПУБЛИКАЦИИ

Содержание диссертации опубликовано в 28 печатных работах (из них 10 статей в научных журналах).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 155 страницы, включая 26 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 138 наименований.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Диссертантом самостоятельно получены и обработаны все экспериментальные результаты. Постановка задачи, анализ и обобщение данных, а также формулировка выводов по работе осуществлены совместно с научными руководителями. Программа на ЭВМ по анализу и апробации результатов была выполнена диссертантом самостоятельно. Соавторы совместных публикаций принимали участие в обсуждении результатов соответствующих разделов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы выбор объектов изучения, указана новизна результатов, дано краткое содержание глав диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ обобщены и систематизированы литературные данные, характеризующие современное состояние исследований физических свойств в радиационно - облученных сегнетоэлектрических твердых растворах и в сегнетоэлектриках с несоразмерной фазой. Отмечено, что, хотя исследованиям процессов дефектообразования в сегнетоэлектриках при различном виде облучения посвящено весьма значительное число экспериментальных работ (наиболее последовательный обзор экспериментальных работ действия радиации на сегнетоэлектрики дан в книге Пешикова Е.В [6], а свойства сегнетокерамик с размытым фазовым переходом (РФП) подвергнутых облучению широко представлены в работах Штернберга А.Р. [8,9]), систематического изучения диэлектрических свойств сегнетоэлектрических твердых растворов с РФП или релаксоров на основе

перовскита АВ03 в широком диапазоне частот и измерительных полей (особенно это касается ИНЧ диапазона и ультраслабых полей), как нам известно из имеющейся литературы, фактически не проводилось.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена изложению методики измерений ко�