08-02-97502-р_центр_а, статья, Малышкина О.В.

Posted on Декабрь 15th, 2010 by admin

Контроль состояния поляризации
промышленных пьезоэлектриков

О.В. Малышкина1, А.А. Мовчикова1, Е.В. Барабанова1, Б.Б. Педько1,
А.В. Бурцев1, В.С. Лисицын1, А.В. Дайнеко2
1ТвГУ, г. Тверь,e-mail: Olga.Malyshkina@mail.ru
2 НИИ «ЭЛПА», Зеленоград

 

Monitoring of the polarization state
in the industrial piezoelectrics

O.V. Malyshkina1, A.A. Movchikiova1, E.V. Barabanova1, B.B. Pedko1,
 A.V. Burtsev1, V.S. Lisitsin1, A.V. Daineko2
1Tver State University, Tver
2Research institute “ELPA”, Zelenograd

 

Разработана новая методология прямоугольной тепловой волны, которая в отличие от других методологий переменного теплового зондирования открывает возможности посредством количественного анализа формы пироотклика проводить исследования послойного профиля поляризации в толщине сегнетоактивных материалов. В основе разработанного в работе нового метода определения профиля эффективного значения пирокоэффициента по глубине образца сегнетоэлектрического материала лежит анализ временной зависимости пироотклика в условиях прямоугольной модуляции теплового потока с использованием цифровых методов обработки сигнала (Thermal Square Wave Method at single-frequency – TSW метод). Результаты, полученные в работе, дают новые представления о связи пиротока со степенью униполярности сегнетоэлектрических материалов, позволяют использовать пироэлектрический эффект как инструмент для анализа и диагностики состояния поляризации образцов промышленной пьезокерамики.

 

Вступление

В результате научно-исследовательских работ, проведенных в рамках проекта, разработана новый научно-методический подход к изучению состояния поляризации с использованием прямоугольной тепловой волны [6-8], который в отличие от других методологий переменного теплового зондирования (LIM метод) [13-16] открывает возможности посредством количественного анализа формы пироотклика проводить исследования профиля поляризации сегнетоактивных материалов. В основе разработанного в работе нового метода определения профиля эффективного значения пирокоэффициента по глубине образца сегнетоэлектрического материала лежит анализ временной зависимости пироотклика в условиях прямоугольной модуляции теплового потока с использованием цифровых методов обработки сигнала (Thermal Square Wave Method at single-frequency – TSW метод). Запись пироотклика на компьютер через АЦП позволяет использовать в эксперименте частоты менее 2 Гц. Это дает возможность исследовать распределение пирокоэффициента не только в тонких пленках и поверхностных слоях, но и в объеме образцов. Преимущество использования прямоугольной тепловой волны для анализа состояния поляризации в промышленной пьезокерамике состоит, во-первых, в том, что в этом случае осуществляется линейный нагрев поверхности образца, и, следовательно, можно использовать более простой (по сравнению с LIM методом) математический аппарат. Во-вторых, разработанный в работе TSW метод не имеет ограничений по толщине исследуемых образцов, что особенно актуально при анализе состояния поляризации в образцах промышленной пьезокерамики, широко используемой в медицинской диагностической технике и гидроакустике, толщина которых превышает 1 мм.

Новая методология открывает возможности экспериментального изучения послойного профиля поляризации в толщине сегнетоэлектрических образцов. Результаты, полученные в работе, дают новые представления о связи пиротока со степенью униполярности сегнетоэлектрических материалов, позволяют использовать пироэлектрический эффект как инструмент для анализа и диагностики состояния поляризации.

 

Теория и постановка эксперимента TSW методом

При наличии в сегнетоактивном материале неоднородного распределения поляризации по толщине образце состояние поляризации можно анализировать с использованием пироэлектрических методов измерения.

Поскольку по определению под пирокоэффициентом понимается изменение спонтанной поляризации монодоменного кристалла с изменением температуры [3,10]:

,                                                     (1)

где Рs – спонтанная поляризация кристалла, Т - температура, то пирокоэффициент однородно поляризованного кристалла является постоянной величиной, не зависящей от координаты. При наличии в образце неоднородного распределения поляризации необходимо ввести понятие эффективного значения пирокоэффициента (γeff) [6], которое характеризует степень монодоменизации образца и при определенных условиях эксперимента может зависеть от координаты.

Распределение эффективного пирокоэффициента по толщине образца тождественно профилю поляризации, поскольку пирокоэффициент, рассчитанный по величине пиротока, зависит от степени монодоменизации образца, т.е. является эффективным пирокоэффициентом [6], и согласно [10] равен:

 ,                                      (2)

где k – коэффициент униполярности, P – макроскопическая поляризация, Ps – спонтанная поляризация, Т - температура. Второе слагаемое в этом уравнении характеризует вклад в пироток токов переключения, и при использовании в эксперименте малых плотностей теплового потока равно нулю. В результате имеем:

.                                (3)

Здесь – пирокоэффициент монодоменного образца, а величина постоянна для любого сегнетоэлектрического материала.

При исследовании пироэффекта динамическим методом, в сегнетоэлектрическом кристалле устанавливаются тепловые колебания с периодом изменения температуры его поверхности, затухающим по экспоненте по мере прохождения вглубь материала [1,5,11,12]. Так как колебания температуры вызывают различный пироэлектрический отклик в разных слоях кристалла, то основной вклад в измеряемые пироэлектрические характеристики вносит ближайшая к облучаемой поверхности часть образца. Это позволяет использовать динамический метод исследования для анализа характера распределения поляризации по толщине образца сегнетоактивного материала, поскольку в данном случае измеряется эффективный пирокоэффициент, а, согласно уравнению (3), распределение эффективного значения пирокоэффициента по толщине образца тождественно профилю поляризации.

Состояние поляризации анализируется по координатным зависимостям эффективного значения пирокоэффицента с использованием TSW-метода [7,8]. Расчет эффективного значения пирокоэффицента производится по формуле:

.       (4)

Здесь: , T=1/f – период, , t – длительность светового промежутка, k – коэффициент теплопроводности, U(t)- пиронапряжение регистрируемое посредством АЦП в течении одного полупериода, t – время, за которое тепловая волна проходит на глубину х, равную:

.                                                              (5)

Расчёт по формулам (4) и (5) производится с помощью математических пакетов.

Образцы сканируются прямоугольной тепловой волной частотой, определяемой тепловыми условиями [8]. Пироток измеряется в режиме короткого замыкания с использованием операционного усилителя ОР297, рабочая частота которого, при коэффициенте усиления 250 V/mA, составляет 1000 Hz. Оптимальная для обработки и анализа результатов «плотность» записи составляет 10000 точек на период при разрядности платы не менее 10 единиц.

Направление вектора поляризации вблизи поверхности образца определяется путем сравнения на экране осциллографа фазы опорного сигнала (подаваемого с генератора на ИК-диод) с фазой пироэлектрического сигнала [8].

 

Апробация TSW метода

Апробация метода проведена на промышленной пьезокерамике цирконата-титаната свинца ЦТС-19, которая в настоящее время является основным рабочим элементом гидроакустической и медицинской (ультразвуковые исследования) техники [2].

Поскольку температурные волны сильно затухают при прохождении вглубь вещества [1,5,11,12], то на частотах, когда глубина прогреваемого слоя сравнима с толщиной образца, форма пироотклика даже при однородном распределении поляризации не является прямоугольной [9] (рис.1). Величина пироотклика с глубоких слоев образца (рис.1 а) меньше, чем от слоев вблизи поверхности (рис.1 б), нагреваемой модулированным тепловым потоком. В результате, вклад собственного шума операционного усилителя в расчетные значения эффективного значения пирокоэффициента для этих слоев увеличивается (рис.2а (кривые 1 и 2 – тепловой поток освещает противоположные стороны образца)). Таким образом, при проведении эксперимента для получения надежных результатов желательно измерять пироэлектрический профиль с обеих сторон образца, а затем производить “сшивку” в центре (рис.2б (стрелкой показано направление поляризации в образце)). Использование математических программ «сглаживания», позволяет полностью избавиться от шумовой составляющей, как показано на рисунке 2в.

  

                                   а)                                                             б)                                                                  в)

Рис.2 Профиль поляризации промышленной пьезокерамики ЦТС-19.

 

Исследование оптических кристаллов ниобата бария-стронция TSW методом

Кристаллы на основе твердых растворов ниобата бария-стронция SrxBa1‑xNb2O6 (SBN) относятся к релаксорным сегнетоэлектрикам (при x>0.5) и являются широко исследуемыми объектами физики неоднородных сред [3]. Сегнетоэлектрические материалы на основе твердых растворов обладают уникальным набором физических свойств, интересных для фундаментальных исследований и различных применений, в оптоэлектронике для создания оптической памяти и голографии. Для практического применения необходимы однородно поляризованные образцы с устойчивом состоянием поляризации.

Исследовались сегнетоэлектрические монокристаллы SBN с х=0,61, номинально чистого состава, а также с примесями Eu (2000 ppm) и Rh (2000 ppm) [17-20]. Кристаллы были выращены методом Чехральского в университете г. Оснабрюк (Германия). Концентрация примесей соответствует расплаву, из которого производился рост кристаллов, 1 ppm =10-4  at. %. Образцы представляют собой пластинки полярного z – среза. Поляризация кристаллов осуществлялась путем наложения электрического поля 500 В/мм при комнатной температуре и в параэлектрической фазе с дальнейшим охлаждением под полем до комнатной температуры. Образцы беспримесного SBN исследовались в естественном состоянии и после высокотемпературного отжига при T~ 200оС.

В результате проведенных исследований установлено, что температурный режим поляризации значительно влияет на величину поляризации в кристаллах SBN легированных европием (2000 ppm) (рис.3а) и родием (2000ppm) (рис.3б). В то же время распределение поляризации в объеме образцов более однородно у кристаллов с примесью Eu (2000 ppm) (рис.3а кривая 1) и Rh (2000 ppm) (рис.3б кривая 1) по сравнению с беспримесным образцом (рис.4а кривая1). Во всех случаях (кривые 3 рис.3 и кривая 2 рис.4) после охлаждения образцов SBN из параэлектрической фазы без наложения внешнего электрического поля происходит деполяризация образцов. Стабилизацию поляризованного состояния осуществляет только предварительный высокотемпературный отжиг (рис.4б).

 

                                     a)                                                                              б)

Рис. 3 Профиль поляризации в кристаллах SBN:Eu (2000ppm) (а) и SBN:Rh (2000ppm) (б). Кривые 1 – образцы поляризованы в процессе охлаждения из парафазы; 2 – при Т=25оС;
3 – после охлаждения из парафазы без поля.

 

                                    а)                                                                   б)

Рис. 4 Профиль поляризации в беспримесном кристалле SBN не отожженном (а) и после высокотемпературного отжига (б). Кривые 1 – образцы поляризованы в процессе охлаждения из парафазы; 2– после охлаждения из парафазы без поля.

Заключение

Проведенные исследования являются уникальными, поскольку в Российской и зарубежной печати отсутствуют публикации по количественному анализу распределения поляризации по всей толщине массивных пьезоэлектрических материалов. Осуществлённый в данной работе научно-методологический подход, состоящий в совместном экспериментальном исследовании, математическом анализе и компьютерной обработке результатов позволяет анализировать состояние поляризации в сегнетоэлектрических материалах используемых в оптических и пьезоэлектрических преобразователях и вырабатывать рекомендации необходимые для их практического использования.

Использование для определения распределения поляризации в пьезоматериалах метода неразрушающего контроля состояния поляризации, в основе которого лежит сканирование образца прямоугольно модулированной тепловой волной малой мощности, может оказать значительную помощь при разработке пьезоэлектрических керамик с новыми свойствами (например, с изгибными колебаниями) определяемыми распределением поляризации в образцах, поскольку позволит гарантировать соответствие реально получаемых распределений планируемых на основе теоретических разработок.

Проводимые исследования продолжают и развивают традиции научной школы по физике сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков Физико-технического  факультета Тверского государственного университета, основанной  доктором физико-математических наук Владимиром Моисеевичем Рудяком в  60ые годы прошлого века.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-02-97502-р_центр_а.

Основные результаты по теме проекта представлялись на 14 конференциях и опубликованы в журналах ВАК (Физика Твердого Тела, Известия РАН серия физическая) и международных высокорейтинговых журналах (Ferroelectrics, J. Eur. Ceram. Soc., J Electroceram).

 

Литература

  1. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1964. – 488 с.
  2. Квирая И.А., Мартыненко А.М., Попов Н.М., Пугачев С.И., Малышкина О.В., Барабанова Е.В.//Вестник ТвГУ. Сер. “Физика”. 2009. Вып. 5. С. 52–66.
  3. Кременчугский Л.С. Сегнетоэлектрические приемники излучения. – К.: Наукова думка., 1972. – 234 с.
  4. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением – Л.: Наука, 1982. – 400 с.
  5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.  Механика сплошных сред. М.: Технико-теор. Лит., 1953. – 788 с.
  6. Малышкина О.В., Мовчикова А.А. // ФТТ, 2006, т.48, №6, С.965-966
  7. Малышкина О.В., Мовчикова А.А., Suchaneck G.//ФТТ, 2007, Т.49, №11, С.2045-2048.
  8. Малышкина О.В., Мовчикова А.А.//ФТТ, 2009, T.51. №7, С. 1307-1309.
  9. Малышкина О.В., Мовчикова А.А., Прокофьева Н.Б., Калугина О.Н. // Вестник ТвГУ. Серия “Физика”. 2009. Выпуск 7.  С. 48–62.

10. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. “Советское радио”, М. (1979). 176 с.

11. Телегин А.С., Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г. Тепло-массоперенос. М.: Академкнига, 2002. – 455 с.

12. Теплотехника. / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер, С.Г. Несаев, И.Е. Иванов, Л.М. Матюхин, К.А. Морозов – М.: Высш. шк., 2005. – 671 с.

13. Bauer S., Bauer-Gogonea S. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul, 2003, V.10,N.5. Р. 883-902.

14. Lang S.B. // Ferroelectrics, 1990, V.106, Р. 269-274.

15. Lang S.B. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul, 2004, V.11,N.1. Р. 883-902.

16. Ploss B., Emmerich R., Bauer S.  // J. Applied. Physics, 1992, V.72, P. 5363.

17. Malyshkina O. V., Movchikova A. A., Pedko B. B., Boitsova K. N., Kiselev D. A., Kholkin A. L. // Ferroelectrics, 2008, V. 373, Iss.1, P.114-120.

18. Movchikova A., Suchaneck G., Malyshkina O. V., Pedko B. B., Gerlach G. // Ferroelectrics, 2009, V.378, P.186-194.

19. A.A. Movchikova, O.V. Malyshkina, B.B. Pedko, V.S. Lisitsin, A.V. Burtsev. Influence of Thermocycling on the Polarization Distribution of Doped SBN Crystals // Ferroelectrics, 2010. V.399. P. 14–19.

20. O.V. Malyshkina, A.A. Movchikova, B.B.Pedko, K.N.Boitsova, I.V.Sorokina. Polarization distribution and domain structure in SBN crystal doping by Eu or Rh // Ferroelectrics, 2010. V.398, P.64–70.

Monitoring of the polarization state in the industrial piezoelectrics

 Summary

 The new methodology of a rectangular thermal wave is developed which in difference from other methodologies of variable thermal sounding opens possibilities by means of the quantitative analysis of the pyroelectric response form to conduct researches of the layered polarization profile in the thickness of the bulk ferroelectric materials. The analysis of time dependence of the pyroelectric response in conditions of rectangular heat flow modulation with use of digital methods of a signal processing (Thermal Square Wave Method at single-frequency – TSW-method) lies in a basis of the new method, developed in work, to determination of a profile of the effective value pyroelectric coefficient over the thickness of the ferroelectric crystals. The results, obtained in work, give new submissions about relation of the pyroelectric current with a quantity of unipolarity of the ferroelectric materials, allow using pyroelectric effect as the tool for the analysis and diagnostics of the polarization state in the samples of industrial piezoceramic.

 


Posted in Сборник трудов | Tagged , , | Leave a comment

Оставить комментарий