Экранирование деполяризующих полей в сегнетоэлектриках
Для правильного понимания процессов, происходящих в сегнетоэлектрике при переключении поляризации под воздействием внешнего электрического поля, необходимо принять во внимание наличие эффектов экранирования [6]. Простая оценка величины деполяризующего поля Edep, создаваемого связанными зарядами в монодоменном образце одноосного сегнетоэлектрика, вырезанного перпендикулярно полярной оси, может быть сделана по следующей формуле:
(4)
где b– диэлектрическая проницаемость в объеме сегнетоэлектрика,o– диэлектрическая проницаемость вакуума.
Для ниобата лития LiNbO3(LN) эта оценка дает гигантскую величинуEdepпорядка 104кВ/см. Очевидно, что такие электрические поля не могут существовать стабильно в сегнетоэлектрике, поскольку иначе энергия такого электростатического поля превысила бы энергетический выигрыш сегнетоэлектрического упорядочения, что делало бы невозможным переход в сегнетоэлектрическое состояние [1]. Конечно, приведенная оценка сделана для монодоменного состояния, а в полидоменном образце средняя по объему величина Edepдолжна быть существенно меньше. Однако, существует множество экспериментальных свидетельств тому, что сегнетоэлектрики, в том числе и LN, могут находиться в монодоменном состоянии сколь угодно долго. Таким образом, должна существовать возможность экранировать (компенсировать) деполяризующее поле.
Известно несколько механизмов экранировки деполяризующего поля, которые могут быть выделены в две группы: внешнее экранирование и внутреннее экранирование (Рис. 3 и Рис. 4).
Внешнее экранирование
Наиболее быстро проходит внешнее экранирование, при котором образование компенсирующего заряда происходит на полярных срезах кристалла. Существует несколько механизмов внешнего экранирования. В образце со свободной поверхностью (без электродов) поле связанных зарядов может приводить к пробою во внешней среде (Рис. 3а), а если образец помещен в вакуум, то даже к эмиссии электронов. Существенную роль может играть поверхностная проводимость по боковым граням образца или границам зерен керамики (Рис. 3б). В пластине с нанесенными на полярные срезы электродами (сегнетоэлектрическом конденсаторе) компенсация деполяризующего поля происходит за счет перераспределения зарядов на электродах, сопровождаемого током во внешней цепи (Рис. 3в). Время экранирования зависит от параметров цепи и обычно не превышает микросекунд, а может быть и менее наносекунды.
Рис.3 Схематическое изображение механизмов внешнего экранирования: (а) пробой во внешней среде, (б) поверхностная проводимость по боковым граням кристалла, (в) сегнетоэлектрический конденсатор.
Однако полная компенсация деполяризующего поля в объеме при внешнем экранировании невозможна, поскольку экранирующие заряды находятся на полярном срезе кристалла, а связанные заряды, создающие деполяризующее поле, на расстоянии равном толщине собственного приповерхностного диэлектрического слоя (диэлектрического зазора) Lот поверхности. Поэтому, даже после закорачивания электродов в объеме существует остаточное деполяризующее полеErd,которое приL<<dопределяется из соотношения:
Erd = 2 L/d /L Edep (5)
где L – диэлектрическая проницаемость поверхностного диэлектрического слоя.
Величина остаточного деполяризующего поля обычно составляет порядка 1-10 кВ/см, и оно может существенно влиять на процесс переключения.
Основные механизмы объемного экранирования
После завершения быстрого внешнего экранирования компенсация остаточного деполяризующего поля в объеме кристалла возможна лишь путем медленного объемного экранирования. Принято рассматривать несколько конкурирующих механизмов экранирования:
перераспределение носителей заряда в объеме (объемная проводимость) (Рис.4а);
переориентация дипольных дефектов (Рис.б);
инжекция заряда через поверхностный диэлектрический слой (Рис.в).
Постоянная времени объемного экранирования на несколько порядков больше, чем внешнего, и определяется параметрами материала и конкретным механизмом экранирования.
Рис.4 Схематическое изображение механизмов объемного экранирования: (а) перераспределение заряда в объеме, (б) переориентация дипольных дефектов, (в) инжекция заряда через поверхностный диэлектрический слой.