Температурные зависимости диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь

В работах [114,115] исследовалась зависимость диэлектрических характеристик от толщины пленок, полученных золь-гель методом. Исследовался состав с элементным соотношением Zr/Ti = 52/48.

Рисунок. 1.12 - Зависимости величины ε и tg δ от толщины пленки а) и от температуры б) согласно [114, 115]

Также показано влияние температуры отжига на температуру Кюри: с увеличением Т_отж температура Кюри сдвигается в область высоких температур рисунок 1.13. Поведение зависимости диэлектрической постоянной носило более ярко выраженный экстремальный характер для пленок, отжигавшихся при максимальных значениях, - для данного эксперимента это температура составляла 700 °С.

Рисунок 1.13 - Зависимости диэлектрической постоянной от частоты

измерительного поля а), от температуры отжига б) [115]

Температура фазового перехода для пленок, отожженных при температуре 700 °С, составляла 366 °С. Влияние частоты измерительного поля на температуру перехода отсутствовало.

В работе [38] исследовались пленки с элементным соотношением Zr/Ti = 65/35, полученные методом импульсного лазерного осаждения. Пленки отжигались первоначально при 450 ^oC в течении 5 часов, а затем ещё 2 часа при 650 °С. Основные диэлектрические характеристики отображены на рисунке 1.14. Значения остаточной поляризации и коэрцитивного поля составляли P_r = 25 мКл/см² и E_c = 43 кВ/см.

Рисунок 1.14 Петля диэлектрического гистерезиса а) и зависимость диэлектричес­

кой постоянной и диэлектрических потерь от температуры б) для пленки состава

Zr/Ti = 65∕35[3 8]

Группа под руководством Ямазаки исследовала тепловые свойства пленок ЦТС, состава близкого к МФГ, синтезированных золь-гель методом при помощи ас калориметрии [117]. Для пленок с соотношение Zr/Ti = 50/50 имел место гистерезис теплоемкости между циклами нагрева и охлаждения. При увеличении доли Zr до 52 % гистерезис видоизменялся, сокращалось изменение удельной теплоемкости при прямом и обратном ходе измерений. Для состава ЦТС соотношением Zr/Ti = 54/46 гистерезис теплоемкости походил на диэлектрический, причем квазистационарные значения теплоемкости наблюдались при нагреве и охлаждении, вместе с этим растягивая гистерезис по оси абсцисс, рисунок 1.15. Для состава с соотношением 50/50 температура перехода составляла 384 ⁰C при нагреве и охлаждении. Для композиции Zr/Ti = 52/48 фазовый переход наблюдался при 390 ⁰C на этапе нагрева и 384 ⁰C при охлаждении. Особым образом выделяется фазовый переход в пленках состава Zr/Ti = 54/46, там переход наступает при 428 ⁰C градусах при нагревании и 398 ⁰C при охлаждении.

Рисунок 1.15- Зависимость удельной теплоёмкости от температуры, для тонких пленок ЦТС соотношением Zr/Ti = 54/46 [117].

Рисунок 1.16 - Объединенная фазовая диаграмма твердых растворов ЦТС в соответствии с измерениями температуры перехода, посредством ас калориметрии, при нагреве а) и охлаждении б) [117]

Согласно результатам калориметрии, авторами были сопоставлены полученные результаты с уже имеющимися данными фазовых диаграмм, рисунок 1.16.

В работе [118] получены результаты исследования модулей упругости (модуля Юнга и модуля сдвига) и внутреннего трения Q¹, измеренных как функция от температуры от -180 ⁰C до 500 ⁰C в нелегированной сегнетоэлектрической керамике ЦТС в килогерцовом диапазоне и на низких частотах (от 0,1 до 1 Гц). Новый фазовый переход на морфотропной границе при низких температурах определялся из минимума модуля упругости. Диэлектрическая проницаемость ε и диэлектрические потери tg δ измерялись в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц. Как механические, так и электрические измерения позволяли наблюдать релаксационные пики в сегнетоэлектрической фазе. Кривые Аррениуса показывают, что можно исследовать эти релаксационные процессы с использованием данных экспериментальных методов.

В работе [119] исследовалась диэлектрическая проницаемость, а также зависимости тока переключения в пленках ЦТС толщиной 250 нм для трех значений «х» в районе МФГ - 0.46, 0.48, 0.49 в интервале температур от -193 ⁰C до 360 ⁰C. Выявлена характерная частотная дисперсия для фазового перехода при низких температурах. Переход через МФГ на температурных зависимостях для образцов с долей титана 0.46, 0.48, 0.49 определен при 183 ⁰C, 52 ⁰C, -38 ⁰C соответственно, при условии проведения диэлектрических измерений на частоте 50 кГц. Также авторы обнаружили частотную дисперсию пикового значения ε", связанную с переходом через МФГ, которая может быть описана законом Фогеля- Фулчера с конечным значением «температуры замерзания». Температуры замерзания для пленок с «х» = 0.46, 0.48, 0.49 определены как 36.6 ⁰C, -78.1 ⁰C, - 90,8 ⁰C соответственно. По мнению авторов, частотную дисперсию между температурой перехода через МФГ и температурой замерзания можно объяснить сосуществованием между тетрагональной и ромбоэдрической 2-х фаз, включая моноклинную (рисунок 1.17). Ток переключения, измеренный в разных управляющих полях, хорошо согласуется с моделью, предложенной Ишибаши [120] и характеризуется низкоразмерной природой динамики доменных границ в

пленках ЦТС.

Рисунок 1.17 х-Т фазовая диаграмма в окрестности МФГ для Pb(Zr1._xTi_x)O3 тонких пленок. Точками отмечены: T₀- температуры, рассчитанные на основании закона Фогеля-Фулчера, a T_lи T_l'- температуры фазового перехода, соответствующие наклонной МФГ, полученные на основании диэлектрических измерений и измерений тока переключения, соответственно [119 Sheen, 2003]

1.7