Влияние контактных явлений на измерение электропроводности восстановленного ниобата лития

Ниобат лития (НЛ) — сегнетоэлектрический материал, обладающий широким спектром применения в оптике и акустике. Отжиг кристаллов НЛ в бескислородной среде приводит к появлению черной окраски и сопутствующему росту электропроводности за счет химического восстановления. В литературе представлено большое количество работ по изучению электрофизических свойств восстановленных кристаллов НЛ, однако, контактным явлениям, возникающим при измерении электропроводности, а также вопросам взаимодействия материала электродов с исследуемыми образцами практически не уделяется внимания. Исследовано влияние электродов из хрома и оксида индия-олова на результаты измерений при комнатной температуре электрофизических параметров образцов НЛ, восстановленного при температуре 1100 °С. Обнаружено, что существенные нелинейности на вольт-амперных характеристиках при напряжении менее 5 В не позволяют получить корректные значения удельного сопротивления НЛ. Это приводит к необходимости проводить измерения при более высоких напряжениях. С помощью метода импедансной спектроскопии установлено, что сильное влияние на результаты измерений оказывают емкости, в том числе образовавшиеся, вероятно, в приконтактных областях. Показано, что полученные результаты адекватно описываются моделью, предполагающей наличие приконтактных емкостей, подключенных параллельно собственной емкости образца. Описан возможный механизм образования таких емкостей, сделано предположение о существовании значительной плотности электронных состояний на границе раздела «электрод — образец», способных захватывать носители заряда, причем с увеличением времени отжига концентрация захваченных носителей возрастает.

1. Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Turutin A.V., Bykov A.S., Kiselev D.A., Temirov A.A., Zhukov R.N., Sobolev N.A., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N. Low-frequency vibration sensor with a sub-nm sensitivity using a bidomain lithium niobate crystal. Sensors (Basel). 2019; 19(3): 614. https://doi.org/10.3390/s19030614

2. Turutin A.V., Vidal J.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Kobeleva S.P., Pakhomov O.V., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Magnetoelectric metglas/bidomain y + 140°-cut lithium niobate composite for sensing fT magnetic fields. Appl. Kubasov I.V, Kislyuk A.M., Turutin A.V, Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N. Bidomain Ferroelectric Crystals: Properties and Prospects of Application. Phys. Lett. 2018; 112(26): 262906. https://doi.org/10.1063/1.5038014

3. Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Ilina T.S., Shportenko A.S., Kiselev D.A., Turutin A.V., Temirov A.A., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N. Conductivity and memristive behavior of completely charged domain walls in reduced bidomain lithium niobate. J. Mater. Chem. C. 2021; 9(43). https://doi.org/10.1039/d1tc04170C

4. Кубасов И.В., Кислюк А.М., Турутин А.В., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н. Бидоменные сегнетоэлектрические кристаллы: свойства и перспективы применения. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2020; 23(1): 5—56. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-1-5-56

5. Standifer E.M., Jundt D.H., Norwood R.G., Bordui P.F. Chemically reduced lithium niobate single crystals: processing, properties and improvements in SAW device fabrication and performance. In: Proc. IEEE International Frequency Control Symposium. 1998: 470—472. https://doi.org/10.1109/FREQ.1998.717939

6. Jen S., Bobkowski R. Black lithium niobate SAW device fabrication and performance evaluation. In: Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2000: 269—273. https://doi.org/10.1109/ultsym.2000.922554

7. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития: монография. М.: Наука; 1987. 264 с.

8. Palatnikov M.N., Sandler V.A., Sidorov N.V., Makarova O.V., Manukovskaya D.V. Conditions of application of LiNbO3 based piezoelectric resonators at high temperatures. Phys. Lett. A. 2020; 384(14): 126289. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.126289

9. Yatsenko A.V., Pritulenko A.S., Yagupov S.V., Sugak D.Y., Sol’skii I.M. Investigation of the stability of electrical properties of reduced LiNbO3 crystals. Tech. Phys. 2017; 62(7): 1065—1068. https://doi.org/10.1134/s1063784217070271

10. Dhar A., Singh N., Singh R.K., Singh R. Low temperature dc electrical conduction in reduced lithium niobate single crystals. J. Phys. Chem. Solids. 2013; 74(1): 146—151. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2012.08.011

11. Volk T., Wöhlecke M. Lithium niobate: defects, photorefraction and ferroelectric switching. Berlin: Springer Science & Business Media; 2008. 249 p.

12. Singh K. Electrical conductivity of non-stoichiometric LiNbO3 single crystals. Ferroelectrics. 2004; 306(1): 79—92. https://doi.org/10.1080/00150190490457348

13. Yatsenko A.V., Yevdokimov S.V., Pritulenko A.S., Sugak D.Y., Solskii I.M. Electrical properties of LiNbO3 crystals reduced in a hydrogen atmosphere. Phys. Solid State. 2012; 54(11): 2231—2235. https://doi.org/10.1134/S1063783412110339

14. Bordui P.F., Jundt D.H., Standifer E.M., Norwood R.G., Sawin R.L., Galipeau J.D. Chemically reduced lithium niobate single crystals: Processing, properties and improved surface acoustic wave device fabrication and performance. J. Appl. Phys. 1999; 85(7): 3766—3769. https://doi.org/10.1063/1.369775

15. Yatsenko A.V., Pritulenko A.S., Yevdokimov S.V., Sugak D.Y., Syvorotka I.I., Suhak Y.D., Solskii I.M., Vakiv M.M. The influence of annealing in saturated water vapor on LiNbO3 crystals optical and electrical properties. Solid State Phenomena. 2015; 230: 233—237. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.230.233

16. Ахмадуллин И.Ш., Голенищев-Кутузов В.А., Мигачев С.А., Миронов С.П. Низкотемпературная электропроводность кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава. Физика твердого тела. 1998; 40(7): 1307—1309.

17. Schröder M., Haußmann A., Thiessen A., Soergel E., Woike T., Eng L. M. Conducting domain walls in lithium niobate single crystals. Adv. Funct. Mater. 2012; 22(18): 3936—3944. https://doi.org/10.1002/adfm.201201174

18. Yatsenko A.V., Yevdokimov S.V., Pritulenko A.S., Sugak D.Y., Solskii I.M. Electrical properties of LiNbO3 crystals reduced in a hydrogen atmosphere. Phys. Solid State. 2012; 54(11): 2231—2235. https://doi.org/10.1134/S1063783412110339

19. Esin A.A., Akhmatkhanov A.R., Shur V.Y. The electronic conductivity in single crystals of lithium niobate and lithium tantalate family. Ferroelectrics. 2016; 496(1): 102—109. https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1157438

20. Wang C., Sun J., Ni W., Yue B., Hong F., Liu H., Cheng Z. Tuning oxygen vacancy in LiNbO3 single crystals for prominent memristive and dielectric behaviors. J. Am. Ceram. Soc. 2019; 102(11): 6705—6712. https://doi.org/10.1111/jace.16522

21. Blistanov A.A., Kozlova N.S., Geras’kin V.V. The phenomenon of electrochemical self-decomposition in polar dielectrics. Ferroelectrics. 1997; 198(1-4): 61—66. https://doi.org/10.1080/00150199708228338

22. Козлова Н.С., Забелина Е.В., Быкова М.Б., Козлова А.П. Особенности проявления прверхностных электрохимических процессов в сегнетоэлектрических кристаллах с низкотемпературными фазовыми переходами. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2018; 21(3): 146—155. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-3-146-155

23. Buzanov O.A., Zabelina E.V., Kozlova N.S., Sagalova T.B. Near-electrode processes in lanthanum-gallium tantalate crystals. Crystallogr. Rep. 2008; 53(5): 853—857. https://doi.org/10.1134/S1063774508050210

24. Kozlova N.S., Zabelina E.V., Bykova M.B., Kozlova A.P. Features of the manifestation of surface electrochemical processes in ferroelectric crystals with low-temperature phase transitions. Russ. Microelectron. 2019; 48(8): 545—552. https://doi.org/10.1134/S1063739719080092

25. Емельянова Ю.В., Морозова М.В., Михайловская З.А., Буянова Е.С. Импедансная спектроскопия: теория и применение: учеб. пособие. Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; 2017. 156 с.