Вышедшие номера
Рост монокристаллов в морфотропной области твердых растворов натровисмутового титаната
Антоненко А.М.1, Гавшин М.Г.1, Кудзин А.Ю.1
1Днепропетровский государственный университет, Днепропетровск, Украина
Поступила в редакцию: 8 января 1997 г.
Выставление онлайн: 20 июля 1997 г.

Высокие пьезоэлектрические свойства керамики ЦТС объясняют наличием морфотропной фазовой границы (МФГ). Изучению механизма поведения керамики в окрестности МФГ уделялось много внимания [1,2]. Однако наиболее эффективно исследование монокристаллов. Кристаллы ЦТС выращивались только методом спонтанной кристаллизации [3] и имели дефекты, малые размеры, что не позволяло подробно изучать их свойства. В ряде работ [4-6] показано, что имеется другой класс перовскитных материалов, обладающих высокими пьезоэлектрическими свойствами, которые также связывают с наличием морфотропной области. Таким материалом являются твердые растворы на основе Na0.5Bi0.5TiO3 (НВТ). Было установлено, что МФГ в системах Mex(Na0.5Bi0.5)1-xTiO3, где Me - Pb, Sr, Ca, Ba..., наблюдается при 0.12<x<0.14. Составы с x<0.12 имеют ромбоэдрическое искажение, а с x>0.14 - тетрагональное. Ранее были выращены и исследованы кристаллы НВТ [7]. В настоящей работе проведено выращивание и исследование диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических свойств, структурных особенностей и доменной структуры кристаллов из морфотропной области Ba0.14(Na0.5Bi0.5)0.86TiO3 (БНВТ). При росте кристаллов Bax(Na0.5Bi0.5)1-xTiO3 методом Чохральского было установлено, что из шихты с концентрацией добавки 0.8<x<0.16 растут кристаллы с одинаковыми свойствами. Рентгеноструктурный анализ показал, что эти кристаллы при комнатной температуре имеют структуру типа перовскита с тетрагонально искаженной решеткой (a=3.870 Angstrem, c=3.940 Angstrem). Как и в случае НВТ [8], сверхструктурных линий на рентгенограмме обнаружено не было, что указывает на неупорядоченное расположение ионов Na, Bi, Ba в положениях элементарной ячейки с координационным числом 12. Сравнивая параметры решетки кристалла и керамики, а также исходя из того, что кристаллы лучшего качества растут при x=0.14, можно идентифицировать состав кристаллов как Ba0.14(Na0.5Bi0.5)0.86TiO3 . [!b] [scale=1.05]15-1.eps Температурная зависимость диэлектрической проницаемости монокристаллов НВТ (1) и БНВТ (2) при различных частотах. f (kHz): I - 1, II - 10, III - 100. Диэлектрические измерения проводились по стандартной методике на частотах 1, 10, 100 kHz. На рис. 1 представлены температурные зависимости varepsilon' для кристаллов НВТ и НВТВ. Из этого рисунка видно, что в кристалле НВТ имеются "полочка" при 200oC и размытый фазовый переход при 320oC, который обычно считают переходом антисегнетоэлектрик-сегнетоэластик [9] или антисегнетоэлектрик-сегнетоэлектрик [10]. В кристалле БНВТ вместо "полочки" наблюдаются размытый фазовый переход при температуре 99oC и размытый переход при 290oC. Переход при 99oC является релаксорным, так как максимум varepsilon' с ростом частоты уменьшается и смещается в область высоких температур. Энергия активации U=0.22 eV. Из сравнения кристаллов следует, что "полочка", наблюдаемая в НВТ при 200oC, имеет релаксорное происхождение. Положение максимума varepsilon' в рамытом переходе при 320oC в НВТ и 290oC в БНВТ от частоты не зависит. [!tb] [scale=1.1]15-2a.eps Температурная зависимость пьезомодулей ( a) и коэффициентов электромеханической связи ( b) монокристаллов НВТ (2, 3) и БНВТ (1-4). [!tb] Доменная структура монокристаллов НВТ ( a) и БНВТ ( b) при комнатной температуре. Для измерения пьезоэффекта на образцы напыляли платиновые электроды, затем их поляризовали в силиконовом масле при температуре 60oC в поле 4-6 kV/mm. Пьезоэлектрические измерения проводились методом резонанса-антирезонанса [11]. Температурные зависимости пьезомодуля d33 и коэффициента электромеханической связи k33 представлены на рис. 2. Пьезоэлектрические свойства в НВТ исчезают при температуре 120oC, а в БНВТ - при 200oC. Однако при измерении пьезоэффекта под полем 4-6 kV/mm пьезоэлектрические свойства в НВТ и БНВТ наблюдаются вплоть до температуры 360oC, при этом величина коэффициента электромеханической связи практически не зависит от температуры. Измерить пьезоэффект выше 360oC не удалось из-за увеличения проводимости. Это служит основанием утверждать, что температуры 320oC для НВТ и 290oC для БНВТ не являются точками перехода сегнетоэластик-антисегнетоэлектрик. С помощью поляризационного микроскопа исследовалась доменная структура кристаллов НВТ и БНВТ (рис. 3). Никакой перестройки доменной структуры в кристаллах НВТ и БНВТ под действием электрического поля зарегистрировано не было. При комнатной температуре доменная структура полностью соответствует кристаллической структуре: ромбоэдрической для НВТ и тетрагональной для БНВТ. Кристалл НВТ состоит из ферроэластических доменов, переключаемых механическим напряжением при высокой температуре, и его можно перевести в монодоменное состояние, которое сохраняется при комнатной температуре. БНВТ ферроэластичен во всем температурном интервале и легко монодоменизируется под действием механического напряжения. Однако монодоменное состояние не сохраняется после снятия механического напряжения даже при охлаждении от 700oC до комнатной температуры. Температурные зависимости доменной структуры для этих кристаллов принципиально различны. В кристалле НВТ доменная структура исчезает при 520oC, что соответствует переходу в кубическую параэлектрическую модификацию. При температуре 295oC имеет место состояние, когда кристалл становится оптически изотропным. Это так называемая точка "изотропизации" [12]. В области 227-327oC кристалл имеет нечетко оформленную доменную структуру, а при 327oC становится тетрагональным. При нагревании кристалла БНВТ изменение доменной структуры поляризационно-оптическим методом не наблюдалось вплоть до максимально достигнутой температуры 1100oC, т. е. от комнатной температуры до 1100oC кристалл не изменяет точечной группы симметрии. Таким образом, изменения диэлектрических свойств БНВТ при 99 и 290oC происходят в одной тетрагональной фазе.
  1. Е.Г. Фесенко, А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская. Новые пьезокерамические материалы. Изд-во Ростов. Ун-та (1983). 156 с
  2. Б. Яффе, Кук, Г. Яффе. Пьезоэлектрическая керамика. М. (1974). 288 с
  3. В.В. Еремкин, В.Г. Смотраков, О.Е. Фесенко, С.Г. Шмалько. Тез. докл. Всесоюз. конф. "Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пеьзоэлектрических материалов". М. (1984). Ч. 2. С. 298
  4. Tadashi Takenaka, Koichiro Sakata. Sensors and Materials, 3, 123 (1988)
  5. Н.В. Зайцева, В.А. Исупов, Н.Н. Парфенова, И.П. Пронин, Т.А. Шаплыга. Изв. АН СССР. Неорган. материалы 26, 9, 1905 (1990)
  6. Tadashi Takenaka, Koichiro Sakata, Kohji Toda. Ferroelectrics 106, 375 (1990)
  7. Т.В. Крузина, Е.В. Синяков. Физика активных диэлектриков. Днепропетровск (1980). С. 45
  8. В.В. Иванова, А.Г. Капышева, Ю.Н. Веневцев, Г.С. Жданов. Изв. АН СССР. Сер. физ. 26, 3, 354 (1962)
  9. В.А. Исупов, Т.В. Крузина. Изв. АН СССР. Сер. физ. 48, 6, 1178 (1984)
  10. K. Sakata, Y. Masuda. Ferroelectrics 7, 347 (1974)
  11. IRE Standards on Piezoelectric Crystals. Measurements of Piezoelectric Ceramics. Proc. IREE 49, 7, 1166 (1961)
  12. И.П. Пронин, П.П. Сырников, В.А. Исупов, Г.А. Смоленский. Письма в ЖТФ 8, 21, 1309 (1982)

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.