mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-4-255-260mateltech-223Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSФОРМИРОВАНИЕ БИДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В ПЛАСТИНАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ БЕТА–ВОЛЬТАИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКАFORMATION OF BIDOMAIN STRUCTURE IN LITHIUM NIOBATE WAFERS FOR BETAVOLTAIC ALTERNATORSМалинковичМ. Д.MalinkovichM. D.

Малинкович Михаил Давыдович — кандидат физико-математических наук, доцент 

Ленинский просп., д. 4 , Москва, 119991

Mikhail D. Malinkovich — Cand. Sci. (Phys.−Math.), Ass. Prof. 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

malinkovich@yandex.ruБыковА. С.BykovA. S.

Быков Александр Сергеевич — кандидат технических наук, доцент 

Ленинский просп., д. 4 , Москва, 119991

Alexander S. Bykov — Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof.  

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

xalexx1349@mail.ruКубасовИ. В.KubasovI. V.КиселевД. А.KiselevD. A.КсеничС. В.KsenichS. V.ЖуковР. Н.ZhukovR. N.ТемировА. А.TemirovA. A.ТимушкинН. Г.TimushkinN. G.

Nikita G. Timushkin — Engineer

ПархоменкоЮ. Н.ParkhomenkoYu. N.Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation201513122017184255260Copyright © Малинкович М.Д., Быков А.С., Кубасов И.В., Киселев Д.А., Ксенич С.В., Жуков Р.Н., Темиров А.А., Тимушкин Н.Г., Пархоменко Ю.Н., 20172017Малинкович М.Д., Быков А.С., Кубасов И.В., Киселев Д.А., Ксенич С.В., Жуков Р.Н., Темиров А.А., Тимушкин Н.Г., Пархоменко Ю.Н.Malinkovich M.D., Bykov A.S., Kubasov I.V., Kiselev D.A., Ksenich S.V., Zhukov R.N., Temirov A.A., Timushkin N.G., Parkhomenko Y.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/223

Рассмотрена возможность увеличения эффективности бета−вольтаического генератора за счет применения в качестве пьезоэлектрического преобразователя монокристаллического биморфного элемента из ниобата лития. Известные бета−вольтаические генераторы переменного напряжения состоят из пьезоэлектрического кантилевера и источника −электронов. Причем кантилевер представляет собой упругий элемент, например из кремния, на который приклеен пьезоэлемент из пьезокерамики PZT. Предложено заменить структуру из кремниевой балки с пьезоэлементом на однородный кантилевер, представляющий собой тонкую пластину из бидоменного монокристалла ниобата лития. За счет этого одновременно увеличивается эффективность преобразования механических колебаний в электрическую энергию и добротность системы, стабильность рабочих параметров, а также существенно увеличивается (на несколько сот градусов) температурный диапазон функционирования. Подробно рассмотрено решение основной задачи — формирование бидоменной структуры в тонкой пластине ниобата лития. Предложен метод высокотемпературного отжига образца в неоднородном электрическом поле. Продемонстрирована возможность прогнозирования доменной структуры на основе разработанной модели. Получены образцы с глубиной залегания междоменной границы 120—150 мкм. При этом показано, что четкость границы зависит от разности потенциалов между полосчатыми электродами технологической ячейки и внешним электродом. Метод является эффективным для создания бидоменной структуры в пластине толщиной примерно до 300 мкм.

This article discusses the possibility of increasing the efficiency of betavoltaic generators by using lithium niobate single−crystal bimorph as the piezoelectric transducer element. Existing betavoltaic alternating voltage generators consist of a piezoelectric cantilever and a  electron source, wherein the cantilever is a resilient member, for example silicon, to which a PZT ceramics piezoelectric element is connected. In this study we suggest changing the structure of the silicon cantilever with a piezoelectric element for a uniform cantilever which is a thin plate of bidomain lithium niobate single crystal. This increases the efficiency of converting mechanical vibrations to electrical power, Q of the system, and the stability of the working parameters, and furthermore significantly increases — up to several hundred degrees — the operation temperature range. We have considered in details the solution of the main task —formation of a bidomain structure in a thin lithium niobate plate. A method of the sample high−temperature annealing in a nonuniform electric field is proposed. The possibility of domain structure prediction on the basis of the developed model is shown. Samples with a domain boundary depth of 120—150 microns have been obtained, and we have shown that the clarity of the boundary depends on the voltage between the working cell strip electrodes and the external electrode. The method is effective for bidomain structure formation in plates of about 300 microns in thickness.

ниобат литиясегнетоэлектрикдоменная структурапьезоэлектрический преобразовательбета−вольтаический генератор: lithium niobateferroelectricdomain structureferroelectric transducerbetavoltaic generatorМинистерство образования и науки Российской Федерации (ID проекта RFMEFI57815X0102).Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Project ID RFMEFI57815X0102)ReferencesYurchuk, S. Yu. Simulation the beta power sources characteristics / S. Yu. Yurchuk, S. A. Legotin, V. N. Murashev, A. A. Krasnov, Yu. K. Omel’chenko, Yu. V. Osipov, S. I. Didenko, O. I. Rabinovich // J. Nano− and Electronic Phys. − 2015. − V. 7, N 3. − P. 03014−1—03014−5.Yurchuk S. Yu., Legotin S. A., Murashev V. N., Krasnov A. A., Omel’chenko Yu. K., Osipov Yu. V., Didenko S. I., Rabinovich O. I. Simulation the Beta Power Sources Characteristics. J. Nano− And Electronic Physics. 2015, vol. 7, no. 3, pp. 03014−1—03014−5Murashev, V. N. Silicon betavoltaic batteries structures / V. N. Murashev, S. A. Legotin, O. I. Rabinovich, O. R. Abdulaev, U. V. Osipov // J. Nano− and Electronic Phys. − 2015. − V. 7, N 4. − P. 04034−1—04034−3.Murashev V. N., Legotin S. A., Rabinovich O. I., Abdulaev O. R., Osipov U. V. Silicon Betavoltaic Batteries Structures. J. Nano− And Electronic Physics. 2015. vol. 7. no. 4, pp. 04034−1— 04034−3Duggirala, R. Radioisotope thin−film fueled microfabricated reciprocating electromechanical power generator / R. Duggirala, R. G. Polcawich, M. Dubey, A. Lal // J. Microelectromechanical Systems. − 2008. − V. 17, N 4. − P. 837—849. DOI: 10.1109/JMEMS.2008.924854Duggirala R., Polcawich R. G., Dubey M., Lal A. Radioisotope Thin−Film Fueled Microfabricated Reciprocating Electromechanical Power Generator. Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, vol. 17, no. 4, pp. 837—849. DOI: 10.1109/JMEMS.2008.924854Wang, Q.−M. Performance analysis of piezoelectric cantilever bending actuators / Q.−M. Wang, L. E. Cross // Ferroelectrics. − 1998. − V. 215, N 1. − P. 187—213. DOI: 10.1080/00150199808229562Wang Q.−M., Cross L. E. Performance analysis of piezoelectric cantilever bending actuators. Ferroelectrics. 1998, vol. 215, no. 1, pp. 187—213. DOI: 10.1080/00150199808229562Friend, J. A piezoelectric linear actuator formed from a multitude of bimorphs / J. Friend, A. Umeshima, T. Ishii, K. Nakamura, S. Ueha // Sensors and Actuators A: Physical. − 2004. − V. 109, N 3. − P. 242—251. DOI: 10.1016/j. sna.2003.10.040Friend J., Umeshima A., Ishii T., Nakamura K., Ueha S. A piezoelectric linear actuator formed from a multitude of bimorphs. Sensors and Actuators A: Physical. 2004, vol. 109, no. 3, pp. 242—251. DOI:10.1016/j.sna.2003.10.040Lal, A. Daintiest dynamos [nuclear microbatteries] / A. Lal, J. Blanchard // IEEE Spectrum. − 2004. − V. 41, N 9. − P. 36—41. DOI: 10.1109/MSPEC.2004.1330808Lal A., Blanchard J. Daintiest dynamos [nuclear microbatteries]. IEEE Spectrum. 2004, vol. 41, no. 9, pp. 36—41. DOI: 10.1109/MSPEC.2004.1330808Lal, A. Pervasive power: a radioisotope−powered piezoelectric generator / A. Lal, R. Duggirala, H. Li // IEEE Pervasive Computing. − 2005. − V. 4, N 1. − P. 53—61. DOI: 10.1109/MPRV.2005.21Lal A., Duggirala R., Li H. Pervasive power: a radioisotope− powered piezoelectric generator. IEEE Pervasive Computing, 2005, vol. 4, no. 1, pp. 53—61. DOI: 10.1109/MPRV.2005.21Duggirala, R. High efficiency  radioisotope energy conversion using reciprocating electromechanical converters with integrated betavoltaics / R. Duggirala, H. Li, A. Lal // Appl. Phys. Lett. − 2008. − V. 92, N 15. − P. 154104−1−3. DOI: 10.1063/1.2912522Duggirala R., Li H., Lal A. High efficiency  radioisotope energy conversion using reciprocating electromechanical converters with integrated betavoltaics. Appl. Phys. Lett. 2008, vol. 92, no. 15, pp. 154104−1−3. DOI: 10.1063/1.2912522Funasaka, T. Piezoelectric generator using a LiNbO3 plate with an inverted domain / T. Funasaka, M. Furuhata, Y. Hashimoto, K. Nakamura // IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. − 1998. − V. 1. − P. 959—962.Funasaka T., Furuhata M., Hashimoto Y., Nakamura K. Piezoelectric generator using a LiNbO3 plate with an inverted domain. IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1998, vol. 1, pp. 959—962.Uchino, K. Monomorph characteristics in Pb(Zr,Ti)O3 based ceramics / K. Uchino, M. Yoshizaki, A. Nagao // Ferroelectrics. − 1989. − V. 95, N 1. − P. 161—164. DOI: 10.1080/00150198908245196Uchino K., Yoshizaki M., Nagao A. Monomorph characteristics in Pb(Zr,Ti)O3 based ceramics. Ferroelectrics, 1989, vol. 95, no. 1, pp. 161—164. DOI: 10.1080/00150198908245196Nakamura, K. Ferroelectric domain inversion caused in LiNbO3 plates by heat treatment / K. Nakamura, H. Ando, H. Shimizu // Appl. Phys. Lett. − 1987. − V. 50, N 20. − P. 1413—1414. DOI: 10.1063/1.97838Nakamura K., Ando H., Shimizu H. Ferroelectric domain inversion caused in LiNbO3 plates by heat treatment. Appl. Phys. Lett. 1987, vol. 50, no. 20, pp. 1413—1414. DOI: 10.1063/1.97838Кубасов, И. В. Междоменная область в монокристаллических биморфных актюаторах на основе ниобата лития, полученных методом светового отжига / И. В. Кубасов, М. С. Тимшина, Д. А. Киселев, М. Д. Малинкович, А. С. Быков, Ю. Н. Пархоменко // Кристаллография. − 2015. − Т. 60, № 5. − С. 764—769. DOI: 10.7868/ S002347611504013XKubasov I. V., Timshina M. S., Kiselev D. A., Malinkovich M. D., Bykov A. S., Parkhomenko Yu. N. Interdomain region in single− crystal lithium niobate bimorph actuators produced by light annealing. Crystallography Reports, 2015, vol. 60, no. 5, pp. 700—705. DOI: 10.1134/S1063774515040136Antipov, V. V. Formation of bidomain structure in lithium niobate single crystals by electrothermal method / V. V. Antipov, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, Y. N. Parkhomenko // Ferroelectrics. − 2008. − V. 374, N 1. − P. 65—72. DOI: 10.1080/00150190802427127Antipov V. V., Bykov A. S., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N. Formation of bidomain structure in lithium niobate single crystals by electrothermal method. Ferroelectrics, 2008, vol. 374. no. 1, pp. 65—72. DOI: 10.1080/00150190802427127Gopalan, V. Defect−domain wall interactions in trigonal ferroelectrics / V. Gopalan, V. Dierolf, D. A. Scrymgeour // Annu. Rev. Mater. Res. − 2007. − V. 37. − P. 449—489. DOI: 10.1146/annurev. matsci.37.052506.084247Gopalan V., Dierolf V., Scrymgeour D. A. Defect−domain wall interactions in trigonal ferroelectrics. Annual Review of Materials Research, 2007, vol. 37, pp. 449—489. DOI: 10.1146/annurev. matsci.37.052506.084247Niizeki, N. Growth ridges, etched hillocks, and crystal structure of lithium niobate / N. Niizeki, T. Yamada, H. Toyoda // Jap. J. Appl. Phys. − 1967. − V. 6, N 3. − P. 318—327.Niizeki N., Yamada T., Toyoda H. Growth ridges, etched hillocks, and crystal structure of lithium niobate. Jap. J. Appl. Phys. 1967, vol. 6, no. 3, pp. 318—327.Bykov, A. S. Formation of bidomain structure in lithium niobate plates by the stationary external heating method / A. S. Bykov, S. G. Grigoryan, R. N. Zhukov, D. A. Kiselev, S. V. Ksenich, I. V. Kubasov, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko // Russian Microelectronics. − 2014. − V. 43, N 8. − P. 536—542. DOI: 10.1134/S1063739714080034Bykov A. S., Grigoryan S. G., Zhukov R. N., Kiselev D. A., Ksenich S. V., Kubasov I. V., Malinkovich M. D., Parkhomenko Yu. N. Formation of bidomain structure in lithium niobate plates by the stationary external heating method. Russian Microelectronics, 2014, vol. 43, no. 8, pp. 536—542. DOI: 10.1134/S1063739714080034

The authors declare that there are no conflicts of interest present.