Особенности диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков-релаксоров в синусоидально изменяющемся электрическом поле
Определение коэрцитивного поля и переключаемой поляризованности. Исследование петель диэлектрического гистерезиса пятикомпонентного состава сегенетопьезокерамики. Рассмотрение микрофотографии неполяризованной и поляризованной керамики при увеличении.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.01.2018 |
| Размер файла | 1,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета
НИИ Физики Южного федерального университета
Институт водного транспорта им. Г.Я. Седова филиал ФГБОУ ВО «ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова»
Особенности диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков-релаксоров в синусоидально изменяющемся электрическом поле
А.В. Скрылёв, Г.М. Акбаева, В.В. Бородина, А.Е. Панич
Ростов-на-Дону
Аннотация
Исследованы петли диэлектрического гистерезиса сегнетомягкой керамики на основе ЦТСс температурой Кюри . Исследования проводились на частоте 50Гц в двух режимах. В первом из них поле включалось на 0,07 сек., во втором - действовало непрерывно. Амплитуда поля изменялась в пределах от 2,5 до 25 кВ/см и переключалась ступенчато с интервалом 15 мин. Определялось коэрцитивное поле и переключаемая поляризованность . Переключаемая поляризованность в области насыщения оказывается не больше, в отличие от и других материалов, а меньше соответствующих значений, полученных при кратковременном включении.
Ключевые слова: пьезокерамика, пьезоматериал, горячее прессование, диэлектрический гистерезис
Введение
Исследованы петли диэлектрического гистерезиса пятикомпонентного состава сегенетопьезокерамики на основе ЦТС с добавлением модификатора [1]и температурой Кюри . Данный материал является сегнетомягким, ему присущи свойства сегнетоэлектрика-релаксора: размытый максимум температурной зависимости диэлектрической проницаемости , температурно-частотная дисперсия , указывающая на диэлектрическую релаксацию, которая может быть описана законом Фогеля-Фулчера; на микрофотографиях наличие «твид-структуры» в неполяризованной керамике и сегнетоэлектрических доменов в поляризованной (рис. 1)[2], т.е. этот состав обладает релаксорными свойствами, когда находится в деполяризованном состоянии и проявляет «классические» свойства сегнетоэлектрика в поляризованном. Подобные фазовые переходы под влиянием постоянного электрического поля, характерны и для других релаксоров [3-4].
Рис. 1. - Микрофотографии неполяризованной (а) и поляризованной (б) керамики при увеличении х1400 (а) и х1350(б)
Методика эксперимента и результаты
В работе использовались образцы в виде диска ?10х1мм, вырезанные из блока, полученного методом горячего прессования. Электроды наносились путём вжигания серебросодержащей пасты. Исследования проводились на частоте 50Гц в двух режимах. В первом из них поле включалось на 0,07 с, во втором поле действовало непрерывно; амплитуда поля переключалась с интервалом 15 минут. Петли диэлектрического гистерезиса регистрировались на осциллографе в режиме запоминания [5]. Такие сравнительные исследования позволяют наблюдать влияние внешних факторов (температуры, постоянного поля, давления) на динамику доменной структуры, стабилизированной в процессе временного старения без существенного влияния измерительного напряжения.
При кратковременном включении поля данная керамика имеет петлю гистерезиса обычного вида (не обнаруживает внутреннего поля смещения). С увеличением амплитуды поля поляризованность в этом режиме плавно возрастает и в полях не обнаруживает насыщения. В режиме непрерывного включения поля с увеличением амплитуды поляризованность начинает быстро возрастать и при переходит в насыщение, оставаясь в области сильных полей существенно меньших , полученной при импульсном включении, последующее уменьшение (кривые 3') сопровождается монотонным спадом , которое остается меньше, чем на кривых прямого хода (рис. 2).
Рис.2. - Зависимости максимальной поляризованности Pm(Em) и коэрцитивного поля Ec(Em) от амплитуды приложенного напряжения: кривые 1 и 1' при импульсном включении поля; кривые 2 и 2' (прямой ход) и кривые 3 и 3' (обратный ход) в непрерывном режиме
В полях кривые 1', 2' и 3' сближаются. Коэрцитивное поле в непрерывном режиме при значениях больше 8кВ/см монотонно возрастает с ростом величины . При уменьшении величины кривая практически следует по аналогичной кривой прямого хода, оставаясь несколько выше. В режиме импульсного включения поля с увеличением изменяется аналогичным образом, оставаясь несколько повышенной по сравнению с в непрерывном режиме.
На рисунке 3 приведены петли диэлектрического гистерезиса исследуемого состава при импульсном включении поля и непрерывном. Амплитуда поля в обоих случаях.
Рис. 3. - Петли диэлектрического гистерезиса исследуемого состава при импульсном(а) и непрерывном(б)включении поля
Как следует из рисунка, форма петли гистерезиса при переходе в режим непрерывного переключения поля не претерпевает существенных изменений: сохраняется насыщение при, несколько уменьшено коэрцитивное поле. Такое изменение петли диэлектрического гистерезиса характерно для «замораживания» части переключаемой поляризованности (режим располяризатора в [6]).
Обсуждение. Многочисленными исследованиями диэлектрического гистерезиса в таких режимах установлены закономерности формирования диэлектрического гистерезиса в сегнетомягкой керамике [7] и сегнето жёсткой [8]. При измерении зависимости амплитудных значений поляризованностиот амплитуды поля в импульсном режиме наблюдается слабый гистерезис у (рис. 4) (различие () при увеличении и последующем уменьшении ) и отсутствие гистерезиса у (рис. 5). При непрерывном воздействии переменного поля с амплитудой, превышающей у 2кВ/см, а у - 45кв/см происходит резкое возрастание величины переключаемой поляризованности и постепенное формирование из пропеллерообразной зависимости P(E) «нормальной петли диэлектрического гистерезиса» (рис. 6).
Рисунок 4 - Основные кривые поляризации керамики (прямой и обратный ход): кривая 1 - при непрерывном воздействии переменным полем; кривая 2 - при импульсном включении поля (0,07 сек)
Рисунок 5 - Основные кривые поляризации керамики (ТС-1) (прямой и обратный ход), кривая 1 - при непрерывном воздействии переменным полем; кривая 2 - при импульсном включении поля (0,07 сек)
Рисунок 6 - Петли диэлектрического гистерезиса по данным [9] при кратковременном включении переменного поля с амплитудой для состаренного образца ТС-1 (а) и после длительного непрерывного воздействия поля той же амплитуды (б). Масштаб сетки по вертикали на рис. 6 (б) уменьшен по сравнению с рис. 6 (а) в 10 раз
Уменьшение амплитуды поля (обратный ход) сопровождается в начале достаточно медленным убываем и только в полях порядка коэрцитивного начинается релаксационный спад .
В отличие от описанных выше явлений, исследуемая керамика демонстрирует при тех же условиях эксперимента принципиально иное поведение (рис. 2). диэлектрический сегенетопьезокерамика поляризованный
Обычно полагают, что явление деградации в сегнетомягкой керамике, находящейся под влиянием сильных переменных полей, обусловлено её разогревом за счёт потерь на гистерезис и нарушением структуры керамики за счёт переменных механических напряжений.
Однако, в первом случае увеличение температуры сегнетоэлектрика должно сопровождаться уменьшением спонтанной поляризованности по закону, а коэрцитивного поля по закону . Во втором случае должно наблюдаться увеличение коэрцитивного поля и расширение петли в области насыщения за счёт релаксационных явлений. Этим явлениям противоречат данные, представленные на рисунке 3, где приведены петли гистерезиса при импульсном и непрерывном включениях поля.
Выводы
Согласно [8] установлено сосуществование в сегнетоэлектриках-релаксорах типа со свинцом сегнетоэлектрического и антисегнетоэлектрического упорядочения кластеров мезоскопического размера. Исследуемая керамика по типу доменной структуры и диэлектрическим свойствам в слабых полях относится к сегнетоэлектрикам-релаксорам, поэтому авторы полагают, что отличительные особенности поведения керамики в сильных полях обусловлены, главным образом, взаимодействием сегнето- и антисегнетоэлектрических кластеров.
Подобные идеи о «конкурентном» сосуществовании сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических кластеров высказывались авторами [10] по результатам исследования сегнеторелаксора ЦТСЛ.
Исходя из вышеизложенного, авторы настоящего сообщения полагают, что зарождение и движение быстрых 180-градусных антипараллельных зародышей доменов при непрерывном длительном переключении поляризованности способно обеспечивать фазовое превращение части сегнетоэлектрических кластеров в антисегнетоэлектрическую фазу с уменьшением переключаемой поляризованности в объёме образца.
Благодарности
Исследования проведены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации комплексного проекта «Разработка и создание высокотехнологичного производства мобильного гидроакустического комплекса освещения обстановки в различных акваториях Мирового океана на основе современных пьезоэлектрических средств нового поколения» (Договор № 03.G25.31.0276 от 29.05.2017).
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП "Высокие технологии" ЮФУ.
Литература
1. Akbaeva G.M., DantsigerA.Ya., Razumovskaya O.N. Ferroelectric Solid Solutions with Low Coercive Force for Memory Devices // Proceedings of the International Conference “Electroceramics - IV”. Aachen, Germany: 1994. pp. 535-538.
2. Нестеров А.А., Панич А.А., Скрылёв А.В., Малыхин А.Ю. Способы управления процессом формирования микроструктуры пьезокерамики на основе легированных фаз титаната свинца и её электрофизическими свойствами // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/1044/.
3. Бородин В.З., Захаров Ю.Н., Бородина В.А. Электрофизические свойства сегнетокерамики ПКР-7М в интервале 20-500С // Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. Тверь: Тверской государственный университет, 1993. С. 43-47.
4. RaevskiiI. P. et al.Field- induced kinetic ferroelectric phase transition in relaxor Pb0.94Ba0.5Nb0.5O3 solid solution crystal // Rostov International Meeting on High Temperature Superconductivity (IMHTS-2R). Rostov-on-Don: 2000. pp. 155-161.
5. Ходаков А.Л., Бородин В.З Исследование процесса установления поляризации сегнетоэлектриков // Сб. тр. III Межвузовской конференции по диэлектрикам и полупроводникам. Л.: Лениздат, 160. С. 76-77.
6. Лайнс М, Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1981. 736 с.
7. Панич А.А., Мараховский М.А., Мотин Д.В. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики // Инженерный вестник Дона, 2011, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/325/.
8. Расторопов С.Б., Бородин В.З., Приходьков А.В., Панич А.Е. Диэлектрический гистерезис в керамических материалах на основе титаната свинца // Известия РАН Серия физическая. 1993. №57. С. 110-114.
9. Mihailova B., Maier B.J., Steilmann T., Dul'kin E., Roth M. Electric-field-induced local structural phenomena in Pb-based ABO3-type relaxor ferroelectrics // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2015. №62. pp. 11.
10. Xu Z., Dai Xunhu, and Viehland Dwight Incommensuration in La?modified antiferroelectric lead zirconatetitanate ceramics // Applied Physics Letters. 1995. №65(25). pp. 3287-3289.
References
1. Akbaeva G.M., Dantsiger A.Ya., Razumovskaya O.N. Proceedings of the International Conference “Electroceramics - IV”. Aachen, Germany: 1994. pp. 535-538.
2. Nesterov A.A., Panich A.A., Skrylev A.V., Malykhin A.Yu. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/1044
3. Borodin V.Z., Zakharov Yu.N, Borodina V.A. Segnetoelektriki I p'ezoelektriki. Tver': Tverskoy gosudarstvennyy universitet, 1993. pp. 43-47.
4. Raevskiy I.P. et al. Rostovskiy mezhdunarodnyy simpozium po vysokotemperaturnoy provodimosti (IMHTS-2R). Rostov-on-Don: 2000. pp. 155-161.
5. Khodakov A.L., Borodin V.Z. Sb. tr. III Mezhvuzovskoy konferentsii po dielektrikam i poluprovodnikam. L.: Lenizdat, 160. pp. 76-77.
6. Layns M, Glass A. Segnetoelektriki i rodstvennye im materialy [Ferroelectrics and related materials]. M.: Mir, 1981. 736 pp.
7. Panich A.A., Marakhovskiy M.A., Motin D.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/325
8. Rastoropov S.B., Borodin V.Z., Prikhod'kov A.V., Panich A.E. Izvestiya RAN Seriya fizicheskaya. 1993. №57. pp. 110-114.
9. Mihailova B., Maier B.J., Steilmann T., Dul'kin E., Roth M. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2015. №62. pp. 11.
10. Xu Z., Dai Xunhu, and Viehland Dwight. Applied Physics Letters. 1995. №65(25). pp. 3287-3289.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Исследование характеристик и свойств диэлектрического тонкопленочного материала, помещенного между двумя металлическими обкладками одинаковых размеров, создавая своего рода тонкопленочный конденсатор. Вычисление среднего арифметического напряжения.
лабораторная работа [197,3 K], добавлен 07.06.2015Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектриков в зависимости от напряженности внешнего электрического поля и температуры осциллографическим методом. Определение и основные группы сегнетоэлектриков, их особые свойства и способы измерений.
лабораторная работа [630,9 K], добавлен 04.06.2009Ознакомление с основами движения электрона в однородном электрическом поле, ускоряющем, тормозящем, однородном поперечном, а также в магнитном поле. Анализ энергии электронов методом тормозящего поля. Рассмотрение основных опытов Дж. Франка и Г. Герца.
лекция [894,8 K], добавлен 19.10.2014Изучение электростатического поля системы заряженных тел, расположенных вблизи проводящей плоскости. Определение емкости конденсатора на один метр длины. Описание зависимости потенциала и напряженности в электрическом поле, составление их графиков.
контрольная работа [313,2 K], добавлен 20.08.2015Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитном полях, между плоскопараллельными электродами в однородном электрическом поле. Особенности движения в ускоряющем, тормозящем полях. Применение метода тормозящего поля для анализа энергии электронов.
курсовая работа [922,1 K], добавлен 28.12.2014Электрический заряд и закон его сохранения в физике, определение напряженности электрического поля. Поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Свойства магнитного поля, движение заряда в нем. Ядерная модель атома и реакции с его участием.
контрольная работа [5,6 M], добавлен 14.12.2009Переменное электромагнитное поле в однородной среде или вакууме. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн в плоском оптическом волноводе. Дисперсионные уравнения трехслойного диэлектрического волновода.
курсовая работа [282,5 K], добавлен 21.05.2008Способы модифицирования перфторированных мембран. Преимущества проведения синтеза полианилина в матрице в условиях внешнего электрического поля. Параметры, позволяющие провести экономическую оценку эффективности данных мембран в электрическом поле.
курсовая работа [124,4 K], добавлен 18.07.2014Изучение сути закона Кулона - закона взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц. Электрическое поле и линии его напряженности. Проводники и изоляторы в электрическом поле. Поляризация изоляторов (диэлектриков), помещенных в поле.
контрольная работа [27,3 K], добавлен 20.12.2012Концептуальное развитие основных физических воззрений на структуру и свойства электромагнитного поля в классической электродинамике. Системы полевых уравнений. Волновой пакет плоской линейно поляризованной электрической волны. Электромагнитные поля.
статья [148,1 K], добавлен 24.11.2008Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрокинетические явления в дисперсных системах. Уравнение Гельмгольца–Смолуховского для электроосмоса. Движение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле.
реферат [206,2 K], добавлен 10.05.2009Системы полевых уравнений. Основная и отличительная особенность уравнений систем (2)-(4). Реальное электромагнитное поле. Волновой пакет плоской линейно поляризованной электрической волны. Реальное существование чисто магнитной поперечной волны.
статья [129,5 K], добавлен 21.09.2008Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Магнитные свойства веществ. Условия создания и проявление магнитного поля. Закон Ампера и единицы измерения магнитного поля.
презентация [293,1 K], добавлен 16.11.2011Понятие диэлектрических потерь. Нагревание диэлектриков в электрическом поле, рассеивание части энергии поля в виде тепла как его следствие. Ухудшение свойств и ускорение процессов старения диэлектриков. Количественная оценка диэлектрических потерь.
презентация [794,0 K], добавлен 28.07.2013История открытия магнитного поля. Источники магнитного поля, понятие вектора магнитной индукции. Правило левой руки как метод определения направления силы Ампера. Межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли. Действие магнитного поля на ток.
презентация [3,9 M], добавлен 22.04.2010Расчет магнитной индукции поля. Определение отношения магнитного поля колебательного контура к энергии его электрического поля, частоты обращения электрона на второй орбите атома водорода, количества тепла при охлаждении газа при постоянном объёме.
контрольная работа [249,7 K], добавлен 16.01.2012Сущность понятий магнетизма, ферромагнетизма, магнитной анизотропии, доменов. Анализ явления гистерезиса в ферромагнетике, перехода из парамагнетика в ферромагнетик и природа ферромагнетизма. Методы исследования тонких ферромагнитных пленок, их сравнение.
дипломная работа [6,5 M], добавлен 05.11.2009Понятие и свойства полупроводника. Наклон энергетических зон в электрическом поле. Отступление от закона Ома. Влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда. Влияние напряжённости поля на концентрацию заряда. Ударная ионизация. Эффект Ганна.
реферат [199,1 K], добавлен 14.04.2011Исследование диэлектрического отклика. Поляризация и диэлектрическая проницаемость. Диэлектрические функции в диапазоне радио- и сверхвысоких частот, в области решеточных и электронных резонансов. Разложение диэлектрической функции на элементарные части.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 16.08.2011Монохроматическая электромагнитная волна, напряженность электрического поля которой меняется по физическому закону. Рассеяние линейно поляризованной волны гармоническим осциллятором. Уравнение движения заряженной частицы в поле электромагнитной волны.
контрольная работа [111,7 K], добавлен 14.09.2015
