Эксперимент

В момент подачи на кристалл CBN32 электрического поля частотой 50 Гц наблюдались частные петли гистерезиса (рис. 3.1.а). Процесс переключения (рис. 3.1.6) сопровождался незначительным ростом температуры, т.е.

При выдержке образца в электрическом поле его температура выходит на насыщение. Значение коэрцитивного поля превышало величину подаваемого на образец электрического поля. Это означает, что, в данном случае, имеют место частные петли диэлектрического гистерезиса (рис. 3.1.а). Выход температуры на насыщение происходил на 4 минуте выдержки в поле, при этом эволюция петли отсутствовала. Величина поля на образце при этом не изменялась, оставаясь равной подаваемому значению (1270 В/мм). Здесь и далее приводятся амплитудные значения поля (E_m).

Рис. 3.1 а - Петля диэлектрического гистерезиса; зависимость переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки в синусоидальном поле амплитудой E_m= 1270 В/мм / = 50 Гц для образца CBN32. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 0.5 В/дел

При увеличении частоты внешнего электрического поля до 100 Гц, по- прежнему наблюдались частные петли гистерезиса (рис. 3.2.а). При этом наблюдался рост температуры до 60 ⁰C, в результате которого происходило уменьшение коэрцитивного поля (5.5 мин.) и увеличение значения переключаемой поляризации. Ход кривой переключаемой поляризации аналогичен ходу кривой роста температуры. Наблюдалась незначительная эволюция петли диэлектрического гистерезиса. Время достижения температуры насыщения составляла 14 минут, после чего эволюция петли прекращалась.

Рис. 3.2 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимость переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм, f= 100 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 0.2 В/дел

При выдержке в поле частотой ПО Гц зависимости оказывались аналогичными для поля частотой 50-100 Гц (рис. 3.1-3.2). Разница между максимальными температурами для 100 и ПО Гц составила 4 градуса. Образец достиг температуры 65.5 ⁰C. Перехода к полной петле также не наблюдалось.

При дальнейшем увеличении частоты поля на 10 Гц (120 Гц, рис. 3.3) в начальный момент подачи электрического поля на монокристалл CBN32 наблюдались только частные петли гистерезиса. Затем, при достижении образцом температуры 80 ⁰C (в течение 6 мин), происходило резкое уменьшение коэрцитивного поля с одновременным увеличением величины переключаемой поляризации и падением напряжения на образце. В результате дальнейшей выдержки во времени петля трансформировалась в

полную (8 мин, рис 3.3.а) и к 8.5 минутам петля эволюционировала в насыщенную. Резкое увеличение переключаемой поляризации сопровождалась значительным ростом температуры образца. Максимальная температура образца составила 149 ⁰C. Таким образом, образец разогрелся на 123 градуса. Поле на образце в процессе эволюции не изменялось. Обращает на себя внимание изгибы петли диэлектрического гистерезиса по краям соответствующие значению поляризации при +E_mи -E_m,которые могут объясняться неравномерным протеканием процессов переключения.

Рис. 3.3 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм,/= 120 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Необходимо отметить, что, так как эволюция петель сопровождается саморазогревом образца, трансформация петель в насыщенные происходила только при тех частотах (120 Гц и более, рис. 3.3-3.9), при которых образец разогревался до температуры выше 80^oC. Этой температуре, при обычном нагреве (в термостатируемой камере) образца CBN32, соответствует резкое уменьшение коэрцитивного поля [Малышкина2014].

При дальнейшем увеличении частоты поля наблюдалось сокращение времени формовки полной петли с 8 мин (120 Гц) до 2 мин (140 Гц, рис 3.4). Выход температуры на насыщение происходил на 5 минуте выдержки в электрическом поле (при частоте 120 Гц температура переставала изменяться через 8.5 минуты), что означает увеличение скорости изменения температуры с ростом частоты переключающего поля. В начальный момент, как и в случае более низких частот, имели место только частные петли диэлектрического гистерезиса. Максимальная температура, до которой разогревался образец, была той же, что и при частоте 120 Гц. При выдержке в поле с частотой 150 Гц поведение образца и значения максимальной температуры сохранялись аналогичным 140 Гц.

Увеличение частоты поля до 200 Гц (рис. 3.5) не изменило время появления полной петли (2 мин), но сократило (до 3 мин) время выхода температуры на насыщение. Дальнейшая эволюция петли была аналогична изменению формы петли, наблюдаемому при нагреве образца в термостатируемой камере [Малышкина2014].

Максимальная температура саморазогрева с увеличением частоты продолжала увеличиваться и составила 162 ⁰C. Таким образом, образец нагрелся на 135.3 градуса, что на 10 градусов больше по сравнению со

значением температуры саморазогрева при выдержке в полях частотой 120- 150 Гц.

Рис. 3.4 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм,/= 140 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

C дальнейшем увеличением частоты время формовки петли продолжает сокращаться. При частоте 300 Гц (рис. 3.6) оно составило 30 секунд. При этом выход температуры саморазогрева образца на насыщение происходит на 2 минуте. Значение максимальной температуры саморазогрева уменьшается, по сравнению с полем выдержки 200 Гц, и составляет 155 ⁰C, что соответствует разогреву образца на 127 градусов. В поле данной частоты фиксируется значительное падение напряжения на образце с 1270 до 620 В, что на 450 В меньше по сравнению с 200 Гц.

При подаче на образец поля частотой 400 Гц (рис. 3.7) зависимости оказываются аналогичными, при этом время формовки полной и частной петель сохраняется.

Рис. 3.5 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_ia = 1270 В/мм,/= 200 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис.

Рис. 3.7 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм,/= 400 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

При увеличении частоты электрического поля до 600 Гц (рис. 3.8) падение напряжения на образце продолжает увеличиваться. Напряжение для сформированной петли составляет 340 В (при подаче на образец поля 1270 В). Время появления полной петли сокращается и для данной частоты составляет 15 секунд, что связано с увеличением скорости саморазогрева. Рост температуры полностью прекращается на 1.5 минуте выдержки в поле и достигает значения в 132 ⁰C. Т.е. максимальная температура падает по сравнению с 300 Гц, а образец нагревается только на 100 градусов.

Рис. 3.8 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм,/= 600 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел (по образцу остальные)

При подаче на образец поля частотой 1500 Гц (рис. 3.9) в начальный момент времени, как и для всех остальных частот, наблюдаются только частные петли диэлектрического гистерезиса. Значение напряжения на образце в начальный момент выдержки равно подаваемому (1270 В). При этом практически сразу после включения поля фиксировался резкий рост температуры саморазогрева образца с резким уменьшением коэрцитивного поля и ростом значения переключаемой поляризации. Полная петля гистерезиса формируется на 20 секунде выдержки под полем. Температура выходит на насыщение на 2 минуте. Значение P_revменьше, чем при переключении образца в электрических полях более низких частот. Напряжение на образце для конечного момента выдержки под полем составляет 225 В.

Рис. 3.9 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца CBN32 в синусоидальном поле E_m = 1270 В/мм, f= 1500 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

3.2