ВОЗДЕЙСТВИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПОЛЕЙ НА КРИСТАЛЛЫ ТРИГЛИЦИНСУЛЬФАТА

УДК 537.226.4

И.Б. Копылова

ВОЗДЕЙСТВИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПОЛЕЙ НА КРИСТАЛЛЫ ТРИГЛИЦИНСУЛЬФАТА

В статье приведены экспериментальные результаты воздействия на кристалл триглицинсульфата электрического поля пилообразной формы с частотой от 0,003 до 0,2 Гц. Проведена оценка статической диэлектрической проницаемости для данного диапазона частот. Показано влияние температуры на значение статической диэлектрической проницаемости. Установлено, что температура Кюри в изучаемом частотном диапазоне снижается на 1-1,5°С.

THE INFUENCE OF LOW-FREQUENCY FIELDS ON TRIGLICYNE SULFATE CRYSTALS

The paper reveals the experimental results of influence of the electric field in the frequency range from 0,003 to 0,2 Hz. on triglicyne sulfate crystals. Statistic permittivity for this frequency range is estimated. Besides the temperature influence on this statistic permittivity is shown in the article. Curie temperature in examined frequency range is determined to lower in 1-1,5°C.

Наиболее распространенным методом изучения диэлектрических свойств сегнетоэлектриков является изучение процессов переключения кристаллов в переменных электрических полях. Традиционным является исследование кристаллов в полях синусоидальной формы или в импульсных полях (методика Мерца). Чаще всего исследования проводятся либо на частотах порядка десятков герц, либо порядка мегагерц. Представляет интерес переполяризация сегнетоэлектриков при достаточно низких частотах, до нескольких герц, при достаточно медленном нарастании и спаде внешнего электрического поля.

В качестве образцов использовались кристаллы триглицинсульфата (ТГС) ((NH2CH2COOH)3H2SO4), которые представляют собой водорастворимый одноосный прозрачный кристалл с тетрагональной кристаллической решеткой (как в парафазе, так и в сегнетофазе). Выбор объекта обусловлен тем, что ТГС является модельным кристаллом (т.е. выводы, сделанные по результатам опытов, будут справедливы и для других сегнетоэлектриков класса ТГС). Важнейшие качества, удобные для эксперимента, - высокое сопротивление, препятствующее утечкам заряда, и низкое коэрцитивное поле, низкая температура Кюри Тс (49°С) [1]. Образцы получали методом скола в плоскости, перпендикулярной сегнетоэлектрической оси, от одного большого кристалла. На сколотые плоскости кристалла методом вакуумного напыления были нанесены серебряные электроды.

На образцы подавались пилообразные импульсы чередующейся полярности с амплитудой от -120 В до +120 В и частотой сигнала в диапазоне от 3*10-3 Гц до 0.2 Гц - рис. 1.

Изменение частоты сигнала приводит к изменению амплитуды токовых петель петли гистерезиса (зависимости тока переполяризации от напряженности приложенного поля) - рис. 2.

Максимальное значение тока переполяризации фиксируется в малом диапазоне частот порядка 0,024-0,031 Гц.

Площади петель, которые были определены с помощью программы Areas, определяют заряд, переключаемый в процессе переполяризации.

Рис. 1. Форма сигнала.

Рис. 2. Характер зависимостей 1(Е) для кристалла ТГС на разных частотах: 1 - 0,2 Гц;

Площадь петли гистерезиса численно равна переключаемому заряду: д - | РйЕ. (1)

С другой стороны, переключаемый заряд определяется через поверхностную плотность:

а = $, (2)

где 8 - площадь кристалла.

По основной кривой поляризации можно определить статическую диэлектрическую проницаемость еСТ сегнетоэлектрика.

- ^ = 1 + Р » (3)

еСТ 1 + р р (3)

е0 е0Е е0Е

Так как поверхностная плотность связана с поляризаций соотношением:

Р=а, (4)

то статическая диэлектрическая проницаемость, т.е. диэлектрическая проницаемость в низкочастотных полях, определяется согласно соотношению: ак

£=—— (5)

е0 Би

По экспериментальным зависимостям силы тока от напряженности приложенного поля 1(Е) с помощью программы Mathcad и соотношения (5) была рассчитана статическая диэлектрическая проницаемость еСТ. На рис. 3 представлена зависимость статической диэлектрической проницаемости от частоты подаваемого сигнала е(г).

В интервале частот от 0,05 до 0,1 Гц наблюдаются два пика, т.е. присутствует как релаксационный механизм, так и гистерезисный механизм переполяризации.

Рис.3. Зависимость статической диэлектрической проницаемости от частоты.

Обнаружено, что при увеличении частоты внешнего поля возрастает статическая диэлектрическая проницаемость при фиксированной температуре.

Возможно, это обусловлено потерями, связанными с колебательным движением доменных стенок и отрывом их от точек закрепления - точечных дефектов. С ростом частоты это приводит к появлению более подвижных границ доменов, которые перемещаются в более выгодные энергетические положения, что приводит к увеличению статической диэлектрической проницаемости [2].

Одновременно с приложением внешнего поля образец нагревался в печи. Температура на поверхности кристалла фиксировалась медь-константановой термопарой, включенной дифференциальным методом. Предварительно термопара была отградуирована и установлено, что в интервале температур от 20° до 50°С зависимость термо ЭДС от температуры является линейной.

С помощью самописца фиксировались зависимости силы тока напряженности приложенного поля 1(Е) различных температурах. Характер зависимости во всем диапазоне частот имеет подобный вид (рис. 4). Аналогичные зависимости получены и других частот. Установлено, что при уменьшении частоты максимум силы тока смещается в сторону уменьшения напряженности приложенного поля. Форма петель остается симметричной. Амплитуда пиков увеличивается с

Рис. 4. Характер зависимостей 1(Е) для кристалла ТГС

уменьшением частоты в диапазоне от

.2 Гц при разных температурах (в С): 1-19; 2-24; 3-27; 4-30; 4-33; 5-36; 5-39; 6-42; 7-45.

С ростом температуры на всех исследуемых частотах насыщение поляризации происходит при меньшей напряженности внешнего поля, так как в процесс переполяризации включается термическая активация переключения доменов. При приближении к температуре Кюри амплитуда убывает. Самый большой пик на всех частотах наблюдается при температуре 36°С.

При дальнейшем повышении температуры начинаются процессы, связанные с перестройкой кристаллической решетки кристалла, что приводит разрушению доменной структуры и уменьшению количества доменов. Поэтому амплитуда сигнала начинает уменьшаться. При температуре ~ 47°С ток переполяризации не регистрируется.

Обнаружено, что при увеличении температуры снижается статическая диэлектрическая проницаемость при фиксированной частоте.

Для оценки поведения статической диэлектрической проницаемости была построена зависимость натурального логарифма статической диэлектрической проницаемости от обратной температуры при фиксированной частоте; проведена аппроксимация графиков вблизи точки Кюри (рис.

-е- ч=4.55* 10"^, Гц -е- 4=7.14*КГ1, Гц 4=0.1, Гц 4=0,2 , Гц

б-й -&—

Рис. 5. Аппроксимация функции Ьпв =/ .

В частотном интервале от 4.55* 10-2 Гц до 0.2 Гц точка Кюри ТК уменьшается на 1-1,5°С. Причем чем больше частота подаваемого импульса, тем меньше смещение.

Таким образом, установлено: на низких частотах в диапазоне 0,045-0,1 Гц присутствует как релаксационный, так и гистерезисный механизмы переполяризации сегнетоэлектрика; наблюдается уменьшение точки Кюри.