Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС СЭНДВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ

Иванов В.И. 1
1 ФГБОУ ВО Дальневосточный государственный университет путей сообщения
Тонкая сэндвичная система металл-сегнетоэлектрик-металл может проявлять термоэлектрические свойства. Квазистационарный ток наблюдается в легированных кристаллах ниобата лития с двумя электродами из разных металлов. Величина квазистационарного тока резко возрастает при увеличении температуры кристалла и уменьшении его толщины. В данной работе предложена электродинамическая модель исследуемого явления. Модель предполагает, величина тока описанного термохимического источника возрастает при увеличении температуры из-за температурной зависимости электропроводности кристалла. Температурные зависимости электропроводности легированного кристалла интерпретируются в рамках модели прыжковой проводимости (модель Мотта). Экспериментальные зависимости находятся в хорошем согласии с модельными экстраполяциями. Полученные результаты можно использовать для разработки приемников излучения, а также при интерпретации экспериментальных результатов по изучению свойств сэндвичных пироэлектрических структур.
термовольтаический эффект
ниобат лития
сэндвичные структуры металл-сегнетоэлектрик-металл
1. Алексеева Л.В. Термоэлектрический элемент на основе сэндвичной структуры металл-сегнетоэлектрик-металл / Л.В. Алексеева, Е.А. Антонычева, В.И. Иванов, И.А. Коростелёва, И.В. Повх // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 9. – С. 9-13
2. Здоровцев Г.Г. Температурная зависимость электропроводности легированных кристаллов ниобата лития / Г.Г. Здоровцев, Ю.М. Карпец, В.А. Лебедев // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 9-7. - С. 1512-1516.
3. Здоровцев Г.Г. Термостимулированная ЭДС в сэндвичной структуре металл – ниобат лития – металл / Г.Г. Здоровцев, В.И. Иванов, Н.В. Марченков // Информатика и системы управления. – 2005. – № 1 (09). – С. 55-60.
4. Здоровцев Г.Г. Термоэлектрические свойства несимметричной сэндвичной структуры металл-ниобат лития-металл / Г.Г. Здоровцев, В.И. Иванов, Ю.М. Карпец, С.В. Климентьев // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 311. – № 2. – С. 102-105.
5. Здоровцев Г.Г. Характеристики приемника излучения на основе структуры металл-сегнетоэлектрик-металл / Г.Г. Здоровцев, В. И. Иванов, С.В. Климентьев, В.В. Криштоп // Известия ВУЗов. Приборостроение. – 2006. – Т. 49. – № 8. – С. 45-46.
6. Иванов В.И. Использование динамического пироэффекта в термовольтаическом приемнике излучения / В.И. Иванов, С.В. Климентьев, В.В. Корчевский // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2010. – № 2 (17). – С. 13-18.
7. Иванов В.И. Критерий качества пироэлектрических материалов / В.И. Иванов, Ю.М. Карпец // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 8. – С. 100-101.
8. Иванов В.И. Тепловые приемники излучения на основе тонкослойных структур металл – сегнетоэлектрик – металл: монография / В.И. Иванов, Ю.М. Карпец, С.В. Климентьев. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 80 с.
9. Иванов В.И. Термостимулированные токи в несимметричной сэндвичной структуре металл – сегнетоэлектрик – металл: монография / В.И. Иванов, Ю.М. Карпец, С.В. Климентьев. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. – 67 с.
10. Иванов В.И. Термоэдс в легированных кристаллах ниобата лития с электродами из различных металлов / В.И. Иванов, Ю.М. Карпец, С.В. Климентьев // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2001. – №. 1. – С. 96-97.
11. Казанин М.М. Термовольтаический эффект в поликристаллическом SmS / М.М. Казанин, В.В. Каминский, С.М. Соловьев // ЖТФ. – 2009. – Т. 35. – В. 21. – С. 16–18.
12. Канаев И.Ф. Аномально сильное влияние электродов на фотогальванический ток в кристаллах LiNbO3/ И.Ф. Канаев, В.К. Малиновский // Автометрия. – 1995. – № 5. – С. 3-9.
13. Карпец Ю.М. Фотоиндуцированное рассеяние света в кристаллах LiNbO3:Rh / Ю.М. Карпец, В.А. Максименко // Оптический журнал. – 2004. – Т. 71. – № 9. - С. 6-7.
14. Косоротов В.Ф. Пироэлектрический эффект и его применения / В.Ф. Косоротов, Л.С. Кременчугский, В.Б. Самойлов, Л.В. Щедрина // под ред. Кременчугского Л.С. АН УССР. Ин-т физики. – Киев: Наукова думка, 1989. – 224 с.
15. Ivanov V.I. Thermo-emf in doped lithium niobate crystals with electrodes made of different metals / V.I. Ivanov, Yu.M. Karpets, S.V. Kliment’ev // Russian Physics Journal. – 2001. – V. 44. – № 1. – P. 119-121.

В работах [1,3,4] описана термостимулированная ЭДС, возникающая только в высоколегированном железом кристалле ниобата лития с напыленными электродами из пары различных металлов. Знак термоэдс определяется положением электродов, нанесенных напылением в вакууме на противоположные грани кристалла, и не зависит от ориентации кристаллографических осей образца относительно электродов.

Исследование природы данного явления является актуальным, поскольку твердотельные электрохимические источники эдс являются наиболее востребованными источниками энергии для микроэлектронной промышленности [9-11].

В данной работе анализируется электродинамическая модель данного явления. В данной работе приведены результаты экспериментального исследования термостимулированных токов в тонкослойной структуре металл – ниобат лития – металл.

В предлагаемой модели МСМ-структура рассматривается в качестве источника ЭДС с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению кристалла. При этом зависимость термостимулированной ЭДС от температуры определяется температурной зависимостью сопротивления полупроводникового кристалла Rкр.

Ivanov_1r1.eps

Рис. 1. Схема включения кристалла в измерительную цепь

В предлагаемой модели МСМ-структура рассматривается в качестве источника ЭДС с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению кристалла. При этом зависимость термостимулированной ЭДС от температуры определяется температурной зависимостью сопротивления полупроводникового кристалла Rкр.

Экспериментально измерялся коэффициент

где Un- напряжение на нагрузке, T- температура кристалла, Rn- сопротивление нагрузки, S-площадь электрода кристалла. Из закона Ома имеем:

(1)

где E0- электретная ЭДС, Rk-сопротивле-ние кристалла. Отсюда для коэффициента Pel получаем:

(2)

где ρ-удельное сопротивление кристалла, L-толщина кристалла, ρꞌ-производная удельного сопротивления кристалла по температуре,

Согласно работе [2] температурная зависимость удельного сопротивления кристаллов ниобата лития, легированных железом с концентрацией более 0.3 вес. % (для которых в [2] были получены основные экспериментальные результаты), описывается законом Мотта:

(3)

где ρo, ,To - эмпирические константы, зависящие от концентрации легирующей примеси. Из (3) получаем:

(4)

Окончательно имеем для тока на нагрузке и коэффициента Pel :

Сопоставление полученных аналитических зависимостей с экспериментальными позволяет проверить адекватность модели.

Для анализа модели использовалась линейная аппроксимация экспериментальных зависимостей величины Pel от геометрии и температуры кристалла, концентрации легирующей примеси.

Рассмотрим зависимость Pel от площади одного из двух электродов, нанесенных на противоположные грани кристалла - Рис.2. Приводя (6) к линейной функции, получаем следующее выражение:

Экспериментальные данные (Рис.2а) в линеаризованных координатах согласно формуле (7) показаны на Рис.2б. Прямая соответствует численной аппроксимации выражения (7) по методу наименьших квадратов.

Величина удельного сопротивления определенного из рисунков 2-3 составляет 7*109 - 1010 Ом*см соответственно, что по порядку величины близко к значениям, полученным в работе [328 ]-109*1010 Ом* см.

Из этих же графиков можно получить значение параметра E0ρꞌ, который составляет величину около 109 В* Ом*см* К-1

Подставляя значение ρꞌ =1011 Ом*см* К-1, имеем оценку E0=10-3 В.

Ivanov_1f4.eps
Ivanov_22.eps
Ivanov_1f1.eps
Ivanov_1f3.eps
Ivanov_1f2.eps
Ivanov_21.eps
Ivanov_24.eps
Ivanov_25.eps
Ivanov_24.eps
Ivanov_24.eps
Ivanov_23.eps
Ivanov_3r.eps

а) б)

Рис. 2. Экспериментальная зависимость коэффициента Pel от площади электрода S

(L =1 мм; 0,3 вес.% Fe; электроды Al-Cr) - 2а; линейная аппроксимация согласно формуле (7) – 2б. Критерий R2 =0,95; E=0,0013 В.

а) б)

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента Pel от толщины кристалла L (S=5мм2; 0,3 вес.% Fe; электроды Al-Cr)- 3а; линейная аппроксимация согласно формуле (8) Критерий R2 =0,99; E=0,0085 В

Ivanov_4r.eps
Ivanov_3r.eps
Ivanov_4r.eps

а) б)

Рис. 4. Экспериментальная зависимость плотности тока от температуры кристалла (LiNbO3:Fe – 0,43 вес.%, 10x5x1мм3, Y – срез; Al – Cr) и линейная аппроксимация согласно формуле (9); Критерий R2 =0,99

Ivanov_6r.eps

а) б)

Рис. 5. Экспериментальная зависимость коэффициента Pel, от концентрации примеси железа в кристалле ниобата лития для разных срезов и материалов контактов(1–Al–Cr, Z -cрез; 2 – In – Cr, Z – срез;3–Al–Cr, Y – срез; 4 – In – Cr, Y – срез) и линейная аппроксимация зависимости ρ’0,5·Pel0,5 согласно формуле ( ). Критерий R2 =0,93

Ivanov_5r.eps
Ivanov_5r.eps
Ivanov_6r.eps

Аналогично, линеаризуя зависимость Pel от толщины кристалла (Рис.3а.), получаем:

(8)

Соответствующий график представлен на Рис.3б

На рисунке 4 показана экспериментальная зависимость плотности термостимулированного тока от температуры кристалла. Данную зависимость можно так же аппроксимировать линеаризованной функцией , полученной из формулы (5.15):

(9)

Из рисунков 2-4 видно, что экспериментальные зависимости достаточно близки к линейным, что свидетельствует в пользу предлагаемой модели.

Концентрационная зависимость коэффициентаPel (Рис.5) так же может быть обусловлена зависимостью ρꞌ- и ρ- от процентного содержания легирующей примеси.

Таким образом проведенное сравнение экспериментальных данных и численных расчетов на основе электретной модели демонстрирует неплохое качественное и количественное соответствие. Небольшие отклонения расчетных и экспериментальных данных наблюдаются в области малых толщин МСМ-структуры, что может быть связано с влиянием контактных явлений. Более корректное определение величины термоэлектретной ЭДС требует точных экспериментальных значений ρꞌ- и ρ- исследуемых образцов.

В данной работе предложена термохимическая модель исследуемого явления, обусловленного полем контактной разности потенциалов на границах раздела металл – сегнетоэлектрик. Предполагается, что появление тока вызвано появлением разности потенциалов в области контакта электрод – кристалл. В случае одинаковых материалов электродов контактные разности потенциалов равны и противоположно направлены. Тогда результирующая ЭДС равна нулю.

Полученные результаты можно использовать для разработки приемников излучения [5-8], а также при интерпретации экспериментальных результатов по изучению свойств сэндвичных пироэлектрических структур [12-15].


Библиографическая ссылка

Иванов В.И. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС СЭНДВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 12-7. – С. 1320-1324;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11036 (дата обращения: 22.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074