Способ поляризации сегнетоэлектриков Советский патент 1982 года по МПК H01L41/22 

;-.. I

Изобретение относится к электронике и может быть использовано, в частности, при производстве нелинейных диэлектрических устройств и устройств для управления оптическим лучом.

Известен способ поляризации пъезо- и сегнетокерамики путем подачи напряжения на электроды образца и его одновременного нагрева с последующим охлаждением до 25-80С

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

Наиболее близким к предлагаемому является способ поляризации сегнетоэлёктриков путем нагрева и последующего охлаждения образца с электродами на противоположных поверхностях. Электроды сегнетоэлектрика соединены с электродами пироэлектрика, который нагревается и охлаждается вместе с сегнетоэлектриком. При изменении температуры на электродах пироэлектрика выделяется пироэлектрический заряди развивается необходимое для поляризации напряжение, которое подается на электроды поляризуемого образца. При использовании

to этого способа не требуется источник высокого напряжения и, следовательно аппаратура для регулирования этого напряжения 2. .

Недостатком способа является равISновероятность поляризации как в направлении исходной униполярности образца, так и в противоположном направлении, поскольку внешний источник напряжения,.в данном случае пи20роэлектрик, подключается произвольно, без учета исходной униполярности. Это ведет к ненадежности устройства на основе поляризованных таким 39 образом кристаллов, так как поляризованное 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 осуществляется 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 последукмцего охлаждения образца, с электро дами 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 монодоменного состояния сегнетоэлектрика. Для пояснения физической сущности изобретения рассмотрен сегнетоэлектрик с отрицательными пирокоэфd fiфициентом(т.е ., где пирокоэффициент, PC -спонтанная поляризация, Т - температура), который в начальный момент времени t является полидоменным и имеет некоторую униполярность Э(+) (что практически всегда имеет место вереальных кристаллах). Это означает, что у кристалла имеется некоторая макро скопическая спонтанная поляризация. При нагреве сегнетоэлектрика на температуру Т вследствие имеющейся зависимости спонтанной поляризации от температуры величина РГ изменяется на APg. Это вызывает изменение заряда, экранирующего спонтанную поляризацию, и в итоге,изменение поля, величину которого можно найти из следующего соотношения г )go где - диэлектрическая проницаемость образца So 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 Ец. Удельное сопротивление образца сегнетоэлектрика должно быть достаточно велико, чтобы за время нагрева не происходила компенсация пирозаряда вследствие натекания свободных зарядов. Это означает,что постоянная времени Максвелла Uffy сегнетоэлектрика должна удовлетворять условию ,rp 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 (А-В) , но возрастает пиро- ЭДС ,р (пунктирная кривая K-L), и когда величина пиро-ЭДС становится достаточной для периориентации доменов, начинается перестройка доменной структуры, которая препятствует уменьшению поляризации (В-С). Если вблизи температуры фазового перехода 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 ), 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 сегнетоэлектрическрго фазового перехода коэрцитивное поле уменьшается. Чем меньше коэрцитивное поле, тем меньше циклов поляризации потребуется для прлучения монодоменного состояния. Охлаждать поляризуемый образец след ет на 30-40 С ниже температуры Кюри так как существенное увеличение пол ризации при охлаждении происходит у большинства сегнетоэлектриков именн в таком диапазоне температур. В случае образца с положительным пирокоэффициентом бГО) нагрев следует производить с замкнутыми элект родами, а охлаждение - с разомкнуты ми. Использование для поляризации сегнетоэлектрика собственной пироЭДС, возникающей при нагреве (или охлаждении - в случае материала с по ложительным пирокоэффициентом) образца , приводит к более эффективной поляризации, чем это было бы в случае использования внешнего источника напряжения, поскольку возникающа при нагреве пиро-ЭДС автоматически обеспечивает поляризацию в направлении униполярности, присущей Данному образцу. Таким образом, предлагаемый способ устраняет необходимость определения направления униполярности сегнетоэлектрического кристалла и позволяет достичь наиболее эффективной поляризации образца Пример. Пластину из,сегнетоэлектрического материала, например ниобата бария-стронция (температура Кюри TC. ), вырезанную перпендикулярно полярной оси и снабженную электродами на противоположных поверхностях, нагревают при разомкнутых электродах до температуры меньшей точки Кюри на несколько градусов (40-50 С).. Затем электроды замыкают и охлаждают пластину на , Далее операцию повторяют несколько раз, нагревая пластину с разомкнутыми электродами и охлаждая с замкнутыми. О возможности прекращения процесса поляризации судят, например, по отсутствию зависимости емкости поляризуемого образца от час тоты измерительного поля, что характерно для монодоменного состояния . сегнетоэлектрика. Для этого охлажденный образец подключают к .измерительному емкостному мосту и измеряют емкость образца на частотах , и 2причем f:f. Для реализации предлагаемого способа можно использовать также подключение диода, например диода Шоттки, подсоединенного к электродам образца в запорном направлении относительно поляризующей пиро-ЭДС. Предлагаемый .способ поляризации сегнетоэлектриков может быть применен и к сегнетоэлектрическим элементам, пр1вдстабляющий собой пластину сегнетоэлектрического материала с нанесенными на ее противоположные поверхности дискретными электродами специальной формы. В этом случае на поверхность сегнетоэлектрика, по крайней мере, в промежутках между управляющими электродами наносят резистивную пленку. Удельное сопротивление пленки f выбирается таким образом, чтобы обеспечить развязку между управляющими электродами по управляющему напряжению, т.е. где S -. площадь поперечного сечения пленки; 1 - расстояние между соседними управляющими электродами ; емкость кристалла; длительность управляющего импульса; удельное сопротивление сегнетоэлектрика. Указанная пленка может быть нанесена на всю поверхность сегнетоэлектрика с дискретными электродами (либо поверх них, либо предварительно перед их нанесением). В качестве ма териала для резистивной пленки можно использовать, например, широкозонные полупроводники, такие как Zn(СН)2., Znp,. ZnS, ZnSe. Поляризацию сеГ нетоэлектрического элемента производят нагревом и охлаждением элемента, причем при нагреве резистивные электродыразомкнуты, а при охлаждении эти резистивные электроды замкнуты. Использование предлагаемого спооба поляризации обеспечивает высокую эффективность и стабильность оляризации, поскольку поляризация роисходит в направлении униполярости образца; упрощение процесса оляризации за счет устранения небходимости какого-либо внешнего сточника напряжения, а также вследтвие исключения операции по опредеению направления униполярности егнетоэлектрика. Формула изобретения Способ поляризации сегнетоэлектриков путем нагрева и последующего., охлаждения образца с электродами на противоположных поверхностях, от л и чающийся тем, что, с целью повышения эффективности и ста бильнoctи поляризации и упрощения процессаj нагрев осуществляют при разомкнутых или замкнутых электродах в зависимости от знака пирокоэффициента сегнетоэлектрика, а охлажде 08 ние - соответственно при замкнутых или разомкнутых электродах, причем операции нагрева и охлаждения циклически повторяют до достижения монодоменного состояния сегнетоэлектрика. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.ГЛозман М.А. Пгезокерамика. М., Энергия, 1967, с. 6. 2.Авторское свидетельство СССР If 570130, кл.ЗН 01 L 41/22, 1977 (прототип).