Термоэлектрические свойства несимметричной ондвичной структуры металл-ниобат лития-металл Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535:548.0

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕСИММЕТРИЧНОЙ СЭНДВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-НИОБАТ ЛИТИЯ-МЕТАЛЛ

Г.Г. Здоровцев, В.И. Иванов, Ю.М. Карпец, C.B. Климентьев

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск E-mail: [email protected]

На основе модели с внутренним источником ЭДС проведена аппроксимация экспериментальных зависимостей термостимули-рованной ЭДС в легированном кристалле ниобата лития с парой электродов из разных металлов от размеров кристалла, его температуры, концентрации легирующей примеси. Продемонстрировано использование структуры металл-ниобатлития-металл в качестве чувствительного элемента теплового приемника излучения.

В работе [1] описано экспериментальное наблюдение термостимулированной ЭДС в легированном кристалле ниобата лития с двумя электродами из различных материалов, представляющего собой сэндвичную структуру металл-сегнетоэлек-трик-металл (МСМ). Знак ЭДС определяется положением электродов, нанесенных напылением в вакууме на противоположные грани кристалла, и не зависит от ориентации кристаллографических осей образца относительно электродов. В отличие от классического пироэлектрического эффекта, термостимулированная ЭДС пропорциональна температуре однородно нагретого кристалла и не зависит от скорости ее изменения. Величина термостимулированной ЭДС имеет резко выраженную зависимость от степени легирования образца, возрастает с уменьшением толщины кристалла и нелинейно зависит от площади электродов [1]. Известные термоэлектрические явления (в том числе динамический пироэффект в несимметричной МСМ-структуре [2]) не объясняют полученные экспериментальные результаты.

Для описания обнаруженного явления в [ 1] предложена модель несимметричной МСМ-структуры с внутренним источником ЭДС (например, электрохимического происхождения). Целью данной работы - аппроксимация в рамках этой модели экспериментальных зависимостей, описанных в [1,3].

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 Дг

Экспериментально измерялся коэффициент Рег(Я„5)~1дЩдТ, [А-Кг'-см-2], где Л„ - напряжение на нагрузке, Т - температура кристалла, Д - сопротивление нагрузки, Б- площадь электрода кристалла. Из закона Ома имеем:

^ = (1)

где Е(1 - ЭДС внутреннего источника, Д - сопротивление кристалла. Отсюда для коэффициента Ре1 получаем:

Ре1 = Е0Ьр '(Д + рьу2, (2)

где р - удельное сопротивление кристалла, Ь - толщина кристалла, р - производная удельного сопротивления кристалла по температуре, Д=рХ5ч.

Температурная зависимость удельного сопротивления кристаллов ниобата лития, легированных железом с концентрацией более 0,3 вес. % (для которых в [1, 3] были получены основные экспериментальные результаты), описывается законом Мота [4, 5]: р=р0ехр(Г0^Г-^5), (3)

где р0, Г0 - эмпирические константы, зависящие от концентрации легирующей примеси [4]. Из (3) получаем:

р^-рТ^Т-1-25, (4)

Окончательно из (1-4) имеем для тока в нагрузке и коэффициента Ре1:

I = Е0Кп{Кп + р^-1 ехр(Г00-и7'-0-и))-1> (5)

Р.,=

= Е0Ьр- Т^Т-^ (К^ + р0 ехр(7Г5 • Г°'25 )Ьу2, (6)

Сопоставление полученных аналитических зависимостей с экспериментальными позволяет проверить адекватность предложенной модели.

Для анализа модели использовалась линейная аппроксимация экспериментальных зависимостей величины Ре1 от геометрических размеров и температуры кристалла, концентрации легирующей примеси.

Рассмотрим зависимость Ре1 от площади электродов, нанесенных на противоположные грани кристалла, рис. 1. Приводя (2) к линейной функции, получаем:

8 = Ре1-°^Е0рЬГКп-1-р^Кп-\ (7)

Экспериментальные данные (рис. 1, а) в линеаризованных координатах согласно формуле (7) показаны на рис. 1, б. Прямая соответствует численной аппроксимации выражения (7) по методу наименьших квадратов.

Аналогично, линеаризуя зависимость Ре1 от толщины кристалла (рис. 2, а), получаем:

Ь=Ь°%^(Е0ркГрк-1-К8рк-\ (8)

Соответствующий (8) график представлен на рис. 2, б.

Известия Томского политехнического университета. 2007. Т. 311. N2 2

а

Реи 10 А-К/Чм"2

16 п

12

4

0 1 2

5", см2

5", см"

Р,

-0,5

10

КГ Л ! Ч" Чм

.1.5

Рис. 1.

Экспериментальная зависимость: а) коэффициента Р£ от площади электрода 5 (1=1 мм; 0,3 вес. % Ре; электроды А1-Сг) [1] и 6) линейная аппроксимация согласно формуле (7)

На рис. 3, а, показана экспериментальная зависимость плотности термостимулированного тока от температуры кристалла. Данную зависимость можно так же аппроксимировать линеаризованной функцией , полученной из формулы (5):

Т0,25 = 1п,/ + 7;0<25

(9)

толщин МСМ-структуры, что может быть связано с влиянием контактных явлений и требует более детального рассмотрения.

а

-1 „ .-2

Ре1, 10 А-К Чм 16 -,

12 -1 8 -

4 " 4

4

0--1—

о

Ь, 1*0 мм

12 п

10

15

Ь, 10" мм

4 -

Г. -Г.

ИГА ЧСЧм ^

Концентрационная зависимость коэффициента Ре, (рис. 4, а) так же может быть обусловлена зависимостью р'и р от процентного содержания легирующей примеси. На рис. 4, б, показана линейная аппроксимация этой зависимости, величины р'и р взяты из работы [4].

Из рис. 1-4 видно, что экспериментальные зависимости достаточно близки к линейным, что свидетельствует в пользу рассматриваемой модели. Величина удельного сопротивления, определенного из рис. 1-3, составляет 7-Ю9 и 1010 Ом-см соответственно, что по порядку величины близко к значениям, полученным в работах [4, 5]. Из этих же графиков можно получить величину Еь среднее значение которой - 1,2+0,5 мВ.

Наибольшие отклонения расчетных и экспериментальных данных наблюдаются в области малых

Рис. 2. Экспериментальная зависимость: а) коэффициента Рц от толщины I кристалла (5=5 мм2; 0,3 вес. % Ре; электроды А1-Сг) [1] и 6) линейная аппроксимация согласно формуле (8)

Описанный эффект можно использовать для регистрации электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне. В опытном образце приемника использовался легированный железом кристалл 1Л1ЧЬО,:Ре (2x2,5x0,13 мм3; 0,3 вес. % Бе, У-срез) на противоположные грани которого напылением в вакууме была нанесена пара электродов алюминий-хром (А1-Сг). Поглощающий электрод (А1) был зачернен для исключения влияния фотогальванического эффекта. Падающее на электрод излучение нагревает кристалл, что приводит к возрастанию квазистационарного тока на сопротивлении нагрузки из-за увеличения электропроводности кристалла. Экспериментально измеренная вольт-ваттная чувствительность данного детектора (Н=А11/Р, где: А11- изменение напряжения на сопротивлении нагрузки, Р - мощность падающего излучения) на частоте модуляции 1 Гц составляет 6 В/Вт (при коэффициенте усиления пре-дусилителя Ку=20) и с погрешностью не более 20 % равномерна в спектральном диапазоне

0,4...1,5 мкм. Обнаружительная способность приемника составляет 8-Ю4 смТц1/2Вт. Детектор, в отличие от традиционных пироэлектрических приемников излучения |7|, обладает более высокой чувствительностью на инфранизких частотах модуляции излучения.

а

I 1Ч: см'

/

У

12 -, 10 -8 -6 -4 -2 -

0 -I-г-1-1

290 300 310 320

б

5 £-0,2$ 0,244 -

0,242

0,240 -

0,238 -

Т. к

0,236

-25

-24

-23

-22

InJ

Peh 10" -А-КГЧм-

б 5 4 3 2 1 0

□

Л

0 0,5 1

□ 1 л2 ■ 3 а4

Fe, вес. %

c^-Pj'-5.

1ftJI,,0,5 „ ,1.5 д -0,5

lu м -см -A

Рис. 3. Экспериментальная зависимость: а) плотности тока от температуры кристалла (ЦЫШ~ 0,43 вес. %, 10x5x1 мм1, У-срез; А1-Сг) [3] и б) ее линейная аппроксимация согласно формуле (9)

Использование более эффективного чернения поглощающего излучение электрода, оптимизация геометрических размеров кристалла (уменьшение его толщины [ 1 ]) позволяют более чем на порядок увеличить обнаружительную способность приемника - до 106 см-Гц1/2-Вт, что сравнимо с характеристиками широко распространенных тепловых приемников излучения.

Рис. 4. Экспериментальная зависимость: а) коэффициента Рй, от концентрации примеси железа б кристалле ниобата лития для разных срезов и материалов контактов (1 - А1-Сг, 1-срез;2 - )п-Сг, 1-срез;3 ~А1-Сг, У-срез; 4 - 1п-Сг, У-срез) [1] и б) ее линейная аппроксимация'1 Согласно формуле (6)

Таким образом, проведенное сравнение экспериментальных данных и численных расчетов на основе рассмотренной модели демонстрирует неплохое качественное и количественное соответствие. Полученные данные могут быть использованы для определения природы возникновения ЭДС в МСМ структуре. Предварительные экспериментальные результаты показали, что температурнозависимую ЭДС в МСМ структуре можно использовать для регистрации электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В.И., Карпец Ю.М., Климентьев C.B. Термоэдс в легированных кристаллах ниобата лития с электродами из различных металлов // Известия вузов. Физика. - 2001. - № 1. - С. 96-97.

2. Ицковский М.А., Щедрина JI.B. Термостимулированные токи в системе метал - диэлектрик - металл // Физика твердого тела. - 1979. - Т. 21. - 12. - С. 3567-3575.

3. Здоровцев Г.Г., Иванов В.И., Карпец Ю.М., Климентьев C.B. Термостимулированная эдс в легированных кристаллах ниобата лития с электродами из различных металлов. Препринт № 19. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 25 с.

4. Barkan I.B., Bastón Е.М., Entin M.V. Mechanism of Conductivity oía Fe-Doped IiNbOj Crystal // Phys Stat. Sol -1980. -V 59a. - P. 97-102.

5. Ахмадуллин И.Ш., Голенищев-Кутузов В.А., Мигачев С.А., Миронов С.П. Низкотемпературная электропроводность кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава // Физика твердого тела. - 1998. - Т. 40. - № 7. - С. 1307-1309.

6. Сидоров И.В., ВолкТ.Р, Маврин Б.И., Калинников В.Т. Нио-бат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. - М.: Наука, 2003. - 255 с.

7. Новик В.К, Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. - М.:!Советское радио, 1979. - 175 с.

Поступила 25.01.2006 г.