Диссертация (Получение, физико-химические и электрофизические исследования однофазных и композитных магнитоэлектриков), страница 13

Пьезоэлектрические исследованияПьезоэлектрический эффект в образцах исследовали методом колеблющейся механической нагрузки. Этот метод основан на измерении амплитуды переменного электрического напряжения, возникающего между электродами72Рисунок 2.4. а, б): Эквивалентная схема пьезоэлектрического образца, соединённого кабелем с измерительной цепью, Co, - ёмкость между гранями пьезоэлектрика, Cc – ёмкость кабеля между жилой и экраном, Cex – входная ёмкостьцепи, Ro – сопротивление пьезоэлектрика, Rc - сопротивление изоляции , Rex –входное сопротивление измерительной цепи, C=Co+Cc+Cex, 1/R=1/Ro+ 1/Rc+1/Rex; в): амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики пьезопреобразователя; г): частотные зависимости чувствительности Sa = Upm/a (a – ускорение) пьезоэлектрического акселерометра при разных значениях Rg, Cg.UTЭлектропитаниенагревателя(Б5-7)PCс интерфейсной платойВольтметр(В7-40/5)ЛА-70XYсамописец(Endim) Upm(UT)питанияСъемныйгрузТермопараИсследуемыйобразецУстройствоизменениятемпературыобразцав области100-700 КLCRизмеритель(Е7-14)ПьезосигналUpm- UpПредусилитель(UNIPAN233.6)Усилитель(нановольт метр UNIPAN232В)Детектор(измерительотношенийнапряжений- В7-6)Генератор(Г6-27)ЧастотомерОсциллограф(С65А) Up(t)(ЧЗ-54)(0,05-200 кГц)Пьезоэлектрический вибраторИзмерительная ячейкаРисунок 2.5.

Блок-схема установки для изучения пьезоэлектрического эффекта.образца при воздействии на него переменного механического напряжения, создаваемого колеблющимися грузами [119]. Механическая нагрузка определялась73при этом из результатов аналогичных измерений на образцах x-среза кристаллакварца, пьезомодуль которого известен и равен d′33e=d11(α-SiO2)=2,3 пКл/Н.Из анализа эквивалентной схемы пьезоэлектрического образца (рис. 2.4),соединённого кабелем с измерительной цепью, следует, что зависимости амплитуды Upm выходного напряжения и разности фаз  между пьезоэлектрическим напряжением и действующей силой задаются выражениями [119]:Upmi=[(Ai/A3)d3i′Fm/Cgi]∙[RgiCgi/(1+Rgi2Cgi2)1/2];i = /2 - arctg(RgiCgi).(2.4)(2.5)Из этих выражений следует, что напряжение не будет зависеть от частоты толькопри частотах, намного превышающих величину gi= 1/gi = 1/RgiCgi, (Rgi, Cgi – эквивалентные ёмкость и сопротивление измерительной цепи с образцом, gi=RgiCgi– постоянная времени цепи).

В этом случае оно будет равно:Upmi=(Ai/A3)d3i′Fm/Cgi.(2.6)Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики пьезоэлектрического образца, включённого в измерительную цепь, представлены на рис. 2.4, в.Частотная зависимость чувствительности Sa=Upm/a (a – ускорение) пьезоэлектрического акселерометра при разных значениях Rgi, Cgi приведена на рис. 2.4г. Этот рисунок даёт представление о порядках величин gigi=1/gi.Входное сопротивление Ra, используемого в настоящей работе предусилителя UNIPAN, составляет 10 МОм.

Общая ёмкость входа предусилителя, кабелейи ячейки без образца составляет ~80 пФ. Поэтому при сопротивлениях исследуемого образца, превышающих 109 Ом, постоянная времени цепи gi=RgiCgi будетравна ~0,8 мc. Отсюда следует, что амплитуда выходного пьезоэлектрическогосигнала не будет зависеть от частоты при f > 1/(2RgiCgi) ≈200 Гц.Значения пьезомодулей исследуемых образцов рассчитывали по формулеd′33 = d′33e(Upm/Upme)(Cg/Cge), где Upm и Upme - напряжения, генерируемые изучаемым образцом и кристаллом кварца, Cg и Cge - ёмкости цепи с включенным внеё исследуемым образцом и с кристаллом x-среза кварца соответственно.742.7. Изучение термостимулированных токовТемпературно-временные зависимости термостимулированных токов(ТСТ), являющихся для поляризованных образцов токами термостимулированной деполяризации (ТТСД), измеряли в режиме короткого замыкания электрометром В7-30, к входу которого подсоединяли электроды образца. Измеренияпроводили при непрерывном изменении температуры образца со скоростьюdT/dt = 0,1 – 0,8 К/c в диапазоне 100 – 800 К или при постоянной температуре сиспользованием специальной вакуумированной измерительной ячейки.Термостимулированные токи возникают при повышении температурыкристаллов с дефектами, они обусловлены перераспределением зарядов на дефектах [120].

Термостимулированные токи наблюдаются в кристаллах практически всех диэлектриков, в том числе и в центросимметричных кристаллах, в которых пироэлектрический эффект запрещён симметрией.2.8. Пироэлектрические исследованияТТСД полярных структур состоят из двух основных компонентов – пироэлектрической Ip и термостимулированной IT.

При высоких температурах, всвязи с ростом проводимости образца, преобладают термостимулированныетоки IT, вызванные перераспределением зарядов на дефектах образца [120]. Вобласти низких температур обычно преобладают пироэлектрические токи Ip.Пироэлектрический эффект в образцах исследовали квазистатическимметодом [121 - 123] в области температур 80 − 500 K с помощью специальной измерительной ячейки и электрометра В7-30 или В7-57/1.Эквивалентная схема пироэлектрического образца, подключённого кусилителю сигнала, при исключении из рассмотрения случая работы пироэлектрика на частотах собственного механического резонанса, представляется в виде параллельно соединённых генератора токаI = dQs/dt = d(A∙Ps)/dt = A(dPs/dT)(dT/dt) = pA(dT/dt),(2.7)конденсатора Cs и резистора Rs, характеризующих пироэлектрический образец,а также конденсатора Ca и резистора Ra входной цепи усилителя (Ps – спон-75Рисунок 2.6.

Простейшая эквивалентная схема замещения пироэлектрическогокристалла, подключённого к нагрузочной цепи (A и d – приёмная площадь итолщина кристалла, Cs и Rs – его эквивалентные ёмкость и сопротивление, Ca и Ra– ёмкость и сопротивление нагрузки).Рисунок 2.7. Функциональная схема установки для изучения пироэлектрического эффекта квазистатическим методом.танная поляризация, A - площадь электродов образца, dT/dt – скорость изменения температуры) (рис.

2.6). Уравнение Кирхгофа для указанной схемы имеетвид:-Ap(dT/dt) = CgdV/dt + V/Rg,(2.8)где Cg=Cs+Ca, 1/Rg=1/Rs+1/Ra - эквивалентные ёмкость и сопротивление измерительной цепи с образцом. Интегрируя полученное уравнение, находим:76V(t) = -(Ap/Cg)exp(-t/RgCg)∫0texp(/RgCg)(∂T/∂)d.(2.9)Последние два выражения являются основными для описания всех возможных статических и динамических методов измерения пироэлектрическогоэффекта.

Решение уравнений зависит от начальных условий и закона, по которому происходит изменение температуры со временем T(t), а также тепловой постоянной времени образца th (времени установления теплового равновесия в образце в данных условиях измерений).Напряжение V, возникающее на гранях пироэлектрического образца, илиток Ip=V/Rg в цепи образец – электрометр измеряли при непрерывном измененииего температуры с заданной скоростью dT/dt (обычно 2÷8 град/мин).

Измеренияпроводили в условиях, соответствующих малой постоянной времени >>RgCg, врезультате чего выражение для V принимает вид:V = -ApKRg(dT/dt),(2.10)из которого пироэлектрический коэффициент определяется какpK = V/[ARg(dT/dt)] = Ip/[A(dT/dt)].(2.11)В простейшем варианте процесс измерения температурной зависимостипирокоэффициента сводится к следующему. Подводом к образцу теплового потока задаётся скорость изменения его температуры. При этом одновременно регистрируются зависимости Ip(t) и T(t), по которым определяются зависимостиIp(T) и dT(t)/dt, а затем по ним зависимость pK(T)=Ip(T)/[A(dT/dt)], Ip – измеряемый пироэлектрический ток.Существенной отличительной особенностью пироэлектрического тока,связанного с изменением спонтанной поляризации образца, является зависимость его знака от направления изменения температуры образца.

Поэтому пироэлектрическая природа измеряемого тока определялась тем, что переход отрежима нагрева к режиму охлаждения приводил к резкому изменению егознака. Сравнение знаков и абсолютных значений токов, измеренных соответственно в режимах нагрева и охлаждения образца, позволяет оценить величинувкладов в измеряемый ток токов непироэлектрической природы.77Функциональная схема используемого в работе стенда для изучения пироэлектрического эффекта изображена на рис. 2.7.

Исследуемый образец крепитсяв измерительной ячейке, которая экранирует образец от нежелательных внешнихэлектромагнитных помех, а также даёт возможность проводить измерения приразных температурах и при разных составах и давлениях окружающей образецгазовой среды. Возможность создания в ячейке пониженного давления газовойатмосферы позволяет устранить уменьшение поверхностного сопротивления образца из-за действия на него атмосферной влаги, а также улучшить тепловуюизоляцию образца.

В пироэлектрической ячейке предусмотрены возможностиохлаждения образца до ~90 К путём заливки в имеющуюся в ней специальнуюполость жидкого азота, нагрева образца до ~600 К при размещении в полостиячейки нагревательного резистивного элемента. Внутренняя полость ячейки через систему вентилей может подсоединяться к форвакуумному насосу (типаMPW-5), или к баллону с инертным газом, или с воздушной атмосферой.Пироэлектрический образец прижимается к плоской поверхности держателя образца никелевой пружиной рычажкового типа, изолированной от корпусаячейки пластинами из плавленого кварца. Пружина имеет низкую жёсткость, поэтому она не вызывает в образце существенных механических напряжений.

Определяемый в таких условиях пироэлектрический коэффициент соответствует,очевидно, коэффициенту при отсутствии механических напряжений – pK.В режиме измерения тока эквивалентное входное сопротивление электрометра Ra не превышает 2 МОм, что намного меньше сопротивления Rs диэлектрических образцов в обычных условиях. Усиленный электрометромсигнал, пропорциональный пироэлектрическому току, а также сигнал с термопары, измеряющей температуру образца, подаются через интерфейснуюплату на персональный компьютер.2.9. Магнитные измеренияИзмерения магнитного момента и магнитной восприимчивости образцов в области температур 4,2-300 К проводили с помощью вибрационного78магнетометра «Vibrating sample magnetometer» (модель 155) фирмы «Princeton applied research» с низкотемпературной приставкой. Измерения проводили в статическом магнитном поле от 60 до 10000 Э, которое создавалось постоянным электромагнитом, частота вибрации образца составляла 80 Гц.Скорость развёртки магнитного поля составляла 500 Э/с.