ФОРМИРОВАНИЕ БИДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В ПЛАСТИНАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ БЕТА–ВОЛЬТАИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

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.

1. Yurchuk, 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.

2. Murashev, 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.

3. Duggirala, 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.2008.924854

4. Wang, 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: 10.1080/00150199808229562

5. Friend, 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.2003.10.040

6. Lal, A. Daintiest dynamos [nuclear microbatteries] / A. Lal, J. Blanchard // IEEE Spectrum. − 2004. − V. 41, N 9. − P. 36—41. DOI: 10.1109/MSPEC.2004.1330808

7. Lal, 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.2005.21

8. Duggirala, 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: 10.1063/1.2912522

9. Funasaka, 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.

10. 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: 10.1080/00150198908245196

11. Nakamura, 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: 10.1063/1.97838

12. Кубасов, 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/ S002347611504013X

13. Antipov, 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: 10.1080/00150190802427127

14. Gopalan, 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.37.052506.084247

15. Niizeki, 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.

16. 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/S1063739714080034