Способ поляризации сегнетоэлектриков

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски к

Социалистические

Ресиубпии щ 911660 (61) Дойолнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 25Я 380 (21) 2898950/18-25 (51)NL. Кл.

Н 01 L 41/22 с присоединением заявки №

1 ееудерстееееы3 кеиитет

CCCP ае аелем нзебретееие и открытей (23) Приоритет

Опубликовано 070382. Бюллетень №9 (53) УДК 537.228. . 1 (088. 8) Дата опубликования описания 070382 (72) . Автори изобретения

Н.А.Морозов и О.Н.Ермакова (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени инсти и электроники АН СССР (54) СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

3 изобретение относится к электро-" нике и может быть использовано, в частности, при производстве нелинейных диэлектрических устройств и устройств для управления оптическим лучом.

Известен способ поляризации пьезо- и сегнетокерамики путем подачи напряжения на электроды образца и его одновременного нагрева с после" дующим охлаждением до 25-80 С gt).

Известный способ обеспечивает недостаточную эффективность поляризации, кроме того, необходимостьиспользования внешнего источника высокого напряжения и аппаратуры для одновременной регулировки высокого напряжения и температуры усложняет способ.

Наиболее близким к предлагаемому является способ поляризации сегнетоэлектриков путем нагрева и последу-. ющего охлаждемия образца с электро- дами на противоположных поверхнос2 тих. Электроды сегнетоэлект рика соединены с электродами пироэлектрика, который нагревается и охлаждается вместе с сегнетоэлектриком. При изменении температуры на электродах пироэлектрика выделяется пироэлектрический заряд и развивается необходимое для поляризации напряжение, которое подается на электроды поляризуемого образца. При использовании этого способа не требуется источник высокого напряжения и, следовательно аппаратура для регулирования этого напряжения 1,2).

Недостатком способа является равновероятность поляризации как в направлении исходной униполярности .образца, так и в противоположном направлении, поскольку внешний источник напряжения,.в данном случае пироэлектрик, подключается произвольН0 без учета исходной униполярности. Это ведет к ненадежности устройства на основе поляризованных таким

3 91 образом кристаллов, так как поляри-, зованное состояние тех образцов, у которых направление поляризации не совпадает с исходной униполярностью, является нестабильным. Кроме того, однократный процесс нагревания-охлаждения в большинстве кристаллов не может привести к достижению максимальной эффективности поляризации.

Также к недостаткам способа следует отнести необходимость использования дополнительного элемента — пироэлект. рика, с помощью которого осущест.вляется процесс поляризации.

Цель изобретения - повышение эффективности и стабильности поляризации и упрощение процесса поляризации.

Поставленная цель достигается тем. что в способе поляризации сегнетоэлектриков путем нагрева и последующего охлаждения образца, с электродами на противоположных поверхностях, нагрев осуществляют при разомкнутых или замкнутых электродах в зависимости от знака пирокоэффициента сегнетоэлектрика, а охлаждение соответственно при замкнутых или разомкнутых электродах, причем операции нагрева и охлаждения циклически повторяют до достижения моно-. доменного состояния сегнетоэлектриКд °

Для пояснения физическо" сущности изобретения рассмотрен сегнетоэлектрик с отрицательными пирокоэф"

g0g фициентом(т.е. -----= c0, где Япирокоэффициент, Р -спонтанная по« ляриэация, Т вЂ” температура), который в начальный момент времени t является полидоменным и имеет некоторую униполярность Ж(+) (что прак" тически всегда имеет место в реальных кристаллах). Это означает, что у кристалла имеется некоторая макро" скопическая спонтанная поляризация.

При нагреве сегнетоэлектрика на температуру ДТ вследствие имеющейся зависимости спонтанной поляризации от температуры величина Р изменяется на ЬР . Это вызывает изменение заряда, экранирующего спонтанную поляризацию, и в итоге,измененйе поля, величину которого можно найти из следующего соотношения (а-1) б О

166О где

4

Я - диэлектрическая проницаемость образца, Ео- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Таким образом, при нагреве разомкнутого сегнетоэлектрика в образце возникает поле, направленное вдоль спонтанной поляризации. Величина его может быть существенно больше коэрцитивного поля Е . Удельное сопротивление образца сегнетоэлектрика Я;в должно быть достаточно велико, чтобы за время нагрева tHdrp не происходила компенсация пирозаряда вследствие натекания свободных зарядов. Это означает,что постоянная времени Максвелла Гм сегнетоэлектрика должна удовлетворять условию о =Е, f. g )>+ „Р

На чертеже приведен график изменения поляризации при циклическом нагреве и охлаждении сегнетоэлектрика. В начальный момент времени сегнетоэлектрик обладает исходной поляризацией малой величины (точка А).

При нагревании его с разомкнутыми электродами поляризация уменьшается, поскольку 5<0 (А-В), но возрастает пиро- ЭДС Е„дР(пунктирная кривая

К-L), и когда величина пиро-ЭДС становится достаточной для периориентации доменов, начинается перестройка доменной структуры, которая препятствует уменьшению поляризации (В-C). Если вблизи температуры фазового перехода ТР q прекратить нагрев .и начать охлаждение образца, предварительно замкнув электроды для предотвращения деполяризации, то поляризация будет возрастать по кривой (С-Д), Затем электроды размыкают и весь цикл .повторяют снова (кривая Д-Е-Й-6), причем перестройка доменов в каждом последуемом цикле начинается с меньших температур, чем в предыдущем цикле. В результате после нескольких циклов нагревания-охлаждения все домены ориентируются в одном направлении, и поляризация образца достигает своего максимального значения {точка Н).

Нагревать поляризуемый сегнетоэлектрик целесообразно до температуры Кюри„ так как вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода коэрцитивное поле уменьшается. Чем меньше коэрцитивное поле, тем меньше циклов поляризации потребуется для

5 911660 6 получения монодоменного состояния. тки, подсоединенного к электродам

Охлаждать поляризуемый образец следу- образца в запорном направлении отО ет на 30-40 С ниже температуры Кюри, носительно поляризующей пиро-ЭДС. так как существенное увеличение поля- Предлагаемый .способ поляризации ризации при охлаждении происходит у 5 сегнетоэлектриков может быть примебольшинства сегнетоэлектриков именно нен и к сегнетоэлектрическим элеменв таком диапазоне температур. там, представляющий собой пластину

В случае образца с положительным сегнетоэлектрического материала с пирокоэффициентом ф 0) нагрев сле- нанесенными на ее противоположные дует производить с замкнутыми элект- i0 поверхности дискретными электродародами, а охлаждение - с разомкнуты- ми специальной формы. В этом случае на поверхность сегнетоэлектрика, по

Использование для поляризации крайней мере, в промежутках между сегнетоэлектрика собственной пиро- управляющими электродами наносят

ЭДС, возникающей при нагреве (или 15 резистивную пленку. Удельное сопроохлаждении - в случае материала с по. тивление пленки Я выбирается таким ложительным пирокоэффициентом) об- образом, чтобы обеспечить развязку разца, приводит к более эффективной между управляющими электродами по поляризации, чем это было бы в слу- управляющему напряжению, т.е. иае использования внешнего источни- 20 . ка, напряжения, поскольку возникающая ))P>T

9Ч.

СЭ ВС при нагреве пиро-ЭДС автоматически обеспечивает поляризацию в направ- где S —. площадь поперечного сечелении униполярности, присущей дан- ния пленки, ному образцу 1аким образом, предла-, у5 1 - РасстоЯние межДУ сосеДнигаемый способ устраняет необходи- ми управляющими электро" мость определения направления уни- дами, полярности сегнетоэлектрического C - емкость кристалла; кристалла и позволяет достичь наибо- С - длительность управляющего лее эффективной поляризации образца. З0 импульса, Пример. Пластину из сегнето- . P< > - Удельное сопротивление электрического материала, например сегнетоэлектрика. ниобата бария-стронция (температу- Указанная пленка может быть нанера Кюри Т = 5%ОС), вырезанную ïåðсена на acio поверхность сегнетоэлектпендикулярно полярной оси и снаб35 рика с дискретными электродами (ли. женную электродами на противополож- бо повеРх них, либо реДваРительно ных поверхностях, нагревают при ра- перед их нанесением). В качестве ма" зомкнутых электродах до температуры, териала длЯ Резистивной пленки можменьшей точки Кюри на несколько гра- но использовать, напРимеР, широкодусов (Щ-50og),. Эатем электроды 40 зонные олУпровоДники, такие как замыкают и охлаждают пластину на ,.Zn(CH)<, Zn0, ZnS, ZnSe.

30-Мо(;. Далее операцию повторяют ПолЯРизацию се1нетоэлектРическонесколько раз, нагревая пластину с го элемента производят нагревом и разомкнутыми электродами и охлаждая охлажДением элемента, причем при с замкнутыми. О возможности прекра- 45 нагреве Резис™вные электРоДы Разомщения процесса поляризации судят, кнУты, а при охлаждении эти Резистив" например, по отсутствию зависимости ные электроды замкнуты емкости поляризуемого образца от час- Использование предлагаемого спо" тоты измерительного поля, что харак- соба поляризации обеспечивает высотерно для монодоменного состояния кую эффективность и стабильность

50 поляризации, поскольку поляризация денный образец по ключают к измериоразец подключают к измери- происхоДит в напРавлении УниполЯРтельному емкостному мосту и измеряности образца, упрощение процесса ют емкость образца на частотах поляризации за счет устранения не Ц и д причем @7E . обходимости какого-либо. внешнего источника напряжения, а также вследДля реализации предлагаемого спо- ствие исключения операции по опредесо6а можно использовать также под- лению направления униполярности ключение диода, например диода Шот- сегнетоэлектрика.

911660 8 ние - соответственно при замкнутых

t или разомкнутых электродах, причем операции нагрева и охлаждения циклически повторяют до достижения монодоменного состояния сегнетоэлектрика.

Формула изобретения

Ъ7

Составитель Т.Щукина

Редактор Н.Безродная Техред Т.Маточка;

Корректор Л. Бокшан

Заказ 1141/47 Тираж 758

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Способ поляризации сегнетоэлектриков путем нагрева и последующего охлаждения образца с электродами на противоположных поверхностях, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности и стабильности поляризации и упрощения процесса, нагрев осуществляют при разомкнутых или замкнутых электрог дах в зависимости от знака пирокоэффициента сегнетоэлектрика, а охлажде.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Глозман М.А. Пъезокерамика.

io М., "Энергия", 1967, с. 64. . 2. Авторское свидетельство СССР

М 570130, кл.ЗН 01 L 41/22, 1977 (прототип).