Процессы переключения и диэлектрические свойства монокристаллов ниобата бария-стронция, легированных ионами тулия и гольмия

Исследованы диэлектрические свойства и процессы переключения монокристаллов ниобата бария-стронция состава Sr_0,61Ba_0,39Nb₂O₆ (SBN61), легированных ионами гольмия (Ho³⁺) и тулия (Tm³⁺). Дисперсионные зависимости относительной диэлектрической проницаемости (ε) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) показали, что введение этих примесей приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и неоднозначному изменению tg δ. Исследовано воздействие постоянного электрического поля на диэлектрические параметры кристаллов. Показано, что в поляризованных беспримесных образцах и образцах SBN61 : Tm значения диэлектрической проницаемости уменьшаются, а в образцах SBN61 : Ho и SBN61 : Tm + Ho возрастают. Поляризация всех исследованных образцов приводит к уменьшению значения тангенса угла диэлектрических потерь. Исследования температурного поведения диэлектрической проницаемости показали, что введение примесей тулия и гольмия в кристаллы SBN61 приводит к уменьшению максимального значения диэлектрической проницаемости в районе фазового перехода и расширению области Кюри. Наибольшее размытие максимума диэлектрической проницаемости зафиксировано в образцах SBN61 с примесью гольмия и с двойной примесью Ho+Tm. На основе регистрации петель диэлектрического гистерезиса исследованы процессы переключения при комнатной температуре в переменном поле напряженностью до 4 кВ/cм. Рассмотрены особенности процессов переключения в примесных образцах SBN. В кристаллах с примесью гольмия, а также в образцах с малой концентрацией тулия величина коэрцитивного поля (E_С) значительно увеличивается, а переключаемой поляризации (P) уменьшается по сравнению с беспримесными образцами SBN и образцами с высокой концентрацией гольмия. Полученные результаты исследований кристаллов SBN, легированных ионами тулия и гольмия, можно связать со структурным разупорядочением и формированием доменной структуры в зависимости от типа и концентрации легирующего иона.

1. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. М.: Наука; 1982. 400 с.

2. Ewbank M.D., Neurgaonkar R.R., Cory W.K., Feinberg J. Photorefractive properties of strontium-barium niobate. Journal of Applied Physics. 1987; 62(2): 374—380. https://doi.org/10.1063/1.339807

3. Graetsch H.A. Large structural modulations in the relaxor ferroelectric and intermediate state of strontium rich members (x > 0.6) of the Sr1-xBaxNb2O6 (SBN) solid solution series. Journal of Solid State Chemistry. 2017; 246: 167—175. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.11.013

4. Dwivedi A., Singh K.N., Hait M., Bajpai P.K. Ferroelectric relaxor behavior and dielectric relaxation in strontium barium niobate – a lead-free relaxor ceramic material. Engineered Science. 2022; 20: 117—124. https://doi.org/10.30919/es8d760

5. Simagina L.V., Mishina E.D., Semin S.V., Ilyin N.A., Volk T.R., Gainutdinov R.V., Ivleva L.I. Second harmonic generation in microdomain gratings fabricated in strontium-barium niobate crystals with an atomic force microscope. Journal of Applied Physics. 2011; 110(5): 052015. https://doi.org/10.1063/1.3624800

6. Volk T.R., Ivleva L.I., Lykov P.A., Polozkov, N.M., Salobutin V.Yu., Pankrath R., Wöhlecke M. Effects of rare-earth impurity doping on the ferroelectric and photorefractive properties of strontium-barium niobate crystals. Optical Materials. 2001; 18(1): 179—182. https://doi.org/10.1016/S0925-3467(01)00162-8

7. Волк Т.Р., Иванов Н. Р., Исаков Д.В., Ивлева Л.И., Лыков П.А. Особенности электрооптических свойств кристаллов ниобата бария стронция и их связь с доменной структурой. Физика твердого тела. 2005; 47(2): 293—299.

8. Шур В.Я., Шихова В.А., Пелегов Д.В., Иевлев А.В., Ивлева Л.И. Формирование ансамблей нанодоменов при переключении поляризации в монокристаллах Sr0.61Ba0.39Nb2O6:Сe. Физика твердого тела. 2011; 53(11): 2195–2199.

9. Bodnarchuk Ya., Gainutdinov R., Lavrov S., Volk T., Chen F., Liu H. Fabrication of microdomains and microdomain patterns by AFM method in Heimplanted optical waveguides on strontium-barium niobate crystals. Ferroelectrics. 2015; 485: 1—12. https://doi.org/10.1080/00150193.2015.1060069

10. Malyshkina O., Lisitsin V., Movchikova A., Dec J., Lukasiewicz T. The pyroelectric properties of SBN crystals with different composition. Ferroelectrics. 2012; 426(1): 230—235. https://doi.org/10.1080/00150193.2012.671748

11. Movchikova A., Malyshkina O.V., Pedko B.B., Suchaneck G., Gerlach G. The influence of doping on the pyroelectric response of SBN single crystals. Ferroelectrics. 2009; 378(1): 186—194. https://doi.org/10.1080/00150190902859229

12. Chauhan V.S., Sharma S.K., Dutta S., Srikanth K.S. A study on SBN-POP composites for pyroelectric sensing applications. Journal of the Australian Ceramic Society. 2018; 54(3): 389—394. https://doi.org/10.1007/s41779-017-0164-1

13. Spinola D.U.P., Moreira E.N., Bassora L.A., Eiras I.A., Garcia D. Pyroelectric and piezoelectric properties of SBN ceramics. In: Proc. 1996 IEEE Ultrasonics symposium. 03–06 November 1996. San Antonio, TX, USA. IEEE; 1996. Vol. 1. P. 523—526. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1996.584029

14. Venet M., Santos I.A., Eiras J.A., Garcia D. Potentiality of SBN textured ceramics for pyroelectric applications. Solid State Ionics. 2006; 177(5-6): 589–593. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2005.12.006

15. Amorín H., Guerrero F., Portelles J., Venet M., Fundora A., Siqueiros J.M. A modified SBN System for pyroelectric sensors. MRS Online Proceedings Library. 2000; 655: 72—77. https://doi.org/10.1557/PROC-655-CC11.11.1

16. Kislova I.L., Sergeeva O.N., Shcheglova A.I., Zvarich M.S., Lykov P.A., Ivleva L.I. Influence of thulium impurity on dielectric and pyroelectric properties of single crystals of Barium Strontium Niobate. Physics of the Solid State. 2023: 65(3): 430—433. https://doi.org/10.21883/PSS.2023.03.55585.535

17. Shikhova V. A., Shur V.Ya., Pelegov D.V., Ivleva L.I. Double loops formation in Sr0.75Ba0.25Nb2O6 single crystals in relaxor phase. Ferroelectrics. 2013; 443(1): 116—123. https://doi.org/10.1080/00150193.2013.784178

18. Волк Т.Р., Салобутин В.Ю., Ивлева Л. И., Полозков Н.М., Панкрат Р., Вёлеке М. Сегнетоэлектрические свойства кристаллов ниобата-бария стронция с примесями некоторых редкоземельных металлов. Физика твердого тела. 2000; 42(11): 2066—2073.

19. Shcheglova A.I., Kislova I.L., Sergeeva O.N., Barabanova E.V., Ivleva L.I., Lykov P.A., Effect of thulium impurity on the dielectric properties of barium strontium niobate single crystals. Ferroelectrics. 2022; 590(1): 75—80. https://doi.org/10.1080/00150193.2022.2037941

20. Volk T.R., Isakov D., Ivanov N., Ivleva L.I., Betzler K., Tunyagi A., Wöhlecke M. Study of ferroelectric domain switching by domain wall induced light scattering. Journal of Applied Physics. 2005; 97(7): 074102. https://doi.org/10.1063/1.1882772g

21. Korchak Yu., Kapustianyk V., Fedor B., Girnyk I., Eliyashevsky Yu. Dielectric relaxation phenomena in SBN single crystals doped with Ce. Acta Physica Polonica A. 2011; 119(6): 871—874. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.119.871

22. Poplavko Y.M. Dielectric spectroscopy of electronic materials: Applied physics of dielectrics. In: Series in electronic and optical materials. Oxford, England: Woodhead Publishing; 2021. 376 p. https://doi.org/10.1016/C2020-0-00504-9

23. Ivleva L.I., Bogodaev N.V., Polozkov N.M., Osiko V.V. Growth of SBN single crystals by Stepanov technique for photorefractive applications. Optical Materials. 1995; 4(2–3): 168—173. https://doi.org/10.1016/0925-3467(94)00055-7

24. Сидоркин А.С. Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах. М.: Физматлит; 2000. 240 с.

25. Галиярова Н.М. Диэлектрическая спектроскопия сегнетоэлектриков, фрактальность и механизмы движения доменных и межфазных границ. Диc. … д-ра физ.-мат. наук. Воронеж; 2006. 399 с.

26. Wei T., Zhao C.Z., Zhou Q.J., Li Z.P., Wang Y.Q., Zhang L.S. Bright green upconversion emission and enhanced ferroelectric polarization in Sr1-1,5xErxBi2Nb2O9. Optical Materials. 2014; 36(7): 1209—1212. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.03.001

27. Choy C. L., Leung W.P., Xi T.G., Fei Y., Shao C.F. Specific heat and thermal diffusivity of strontium barium niobate (Sr1-xBaxNb2O6) single crystals. Journal of Applied Physics. 1992; 71(1): 170—173. https://doi.org/10.1063/1.350732

28. Kip D., Wesner M., Krätzig E., Shandarov V., Moretti P. All-optical beam deflection and switching in strontium–barium–niobate waveguides. Applied Physics Letters. 1998; 72(16): 1960—1962. https://doi.org/10.1063/1.121317

29. Смоленский Г.А., Боков В.А., Исупов В.А., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Соколов А.И., Юшин Н.К. Физика сегнетоэлектрических явлений. Ленинград: Наука; 1985. 396 с.

30. Liu Sh., Cohen R.E. Origin of stationary domain wall enhanced ferroelectric susceptibility. Physical Review B. 2017; 95: 094102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.094102

31. Fancher C.M., Brewer S., Chung C.C., Röhrig S., Rojac T., Esteves G., Deluca M., Bassiri-Gharb N., Jones J.L. The contribution of 180о domain wall motion to dielectric properties quantified from in situ X-ray diffraction. Acta Materialia. 2017; 126: 36—43. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.12.037

32. Darinskii B.M, Sidorkin A.S. Effective dielectric constant of the polydomain ferroelectric plate. Ferroelectrics. 2016; 497(1): 107—113. https://doi.org/10.1080/00150193.2016.1164505