Determination of the Activation Energy of Defects in Ferroelectrics by the Method of Temperature Activation–Relaxation of the Dielectric Permittivity

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article proposes a method of temperature activation–relaxation of the permittivity for determining the activation energy of defects in ferroelectrics using lead zirconate–titanate Pb(Zr,Ti)O3 samples as an example. This method is based on the analysis of relaxation of the permittivity after thermal annealing and the analysis of the temperature activation of the permittivity of the Pb(Zr,Ti)O3 ferroelectric. The equality of the activation energy corresponding to the process of migration of oxygen vacancies and the thermal energy of the decay of the domain structure was established, which was confirmed by studying the surface of the samples by scanning electron microscopy. When this temperature was reached, the surface of the domain walls was detached from oxygen vacancies, which are pinning centers. This manifested itself in photographs of the microstructure as a change in the ordering of the domains emerging on the surface of the sample, which led to an irreversible decrease in the permittivity of the sample. For the obtained activation energies, the physical process of domain wall motion activation is established, which is determined by their pinning on structural defects (oxygen vacancies). It is assumed that the irreversible decay of the domain structure occurs when the domain walls are displaced by distances exceeding the elementary lattice parameter of the ferroelectric. The proposed method can be part of a comprehensive study that includes electrophysical, microscopic and X-ray methods.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. V. Kuzenko

Reaktivelectron Scientific Research Institute

Author for correspondence.
Email: danil.kuzenko.84@yandex.ru
Russian Federation, Donetsk

References

  1. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. 252 с.
  2. Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.В., Карев П.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. СПб: Университет ИТМО, 2017. 34 с.
  3. Mikolajick T., Slesazeck S., Mulaosmanovic H., Park M.H., Fichtner S., Lomenzo P.D., Hoffmann M., Schroeder U. // J. Appl. Phys. 2021. V. 129. № 10. P. 100901. https://www.doi.org/10.1063/5.0037617
  4. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1981. 736 с.
  5. Alexander K. Tagantsev, L. Eric Cross, Jan Fousek Domains in Ferroic Crystals and Thin Films. N.Y.: Springer-Verlag, 2010. 821 p. https://www.doi.org/10.1007/978-1-4419-1417-0
  6. Сидоркин А.С. Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах. М.: Физматлит, 2000. 240 с.
  7. Приседский В.В. Нестехиометрические сегнетоэлектрики АIIBIVO3. Донецк: Изд-во ‘‘Ноулидж’’ (донецкое отделение), 2011. 267 с.
  8. Смоленский Г.А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1971. 476 с.
  9. Дубинин С.Ф., Лошкарев Н.Н., Теплоухов С.Г., Сухоруков Ю.П., Балбашов А.М., Архипов В.Е., Пархоменко В.Д. // ФТТ. 2005. Т. 414. № 7. С. 1236. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/3886
  10. Li W., Ma J., Chen K., Su D., Zhu J.S. // Europhys. Lett. 2005. V. 72. № 1. P. 131. https://www.doi.org/10.1209/epl/i2005-10193-0
  11. Xiao Y., Bhattacharya K. Interaction of oxygen vacancies with domain walls and its impact on fatigue in ferroelectric thin films. // Proc. SPIE. Smart Structures and Materials, San Diego, CA, United States. 2004. V. 5387. P. 354. https://www.doi.org/10.1117/12.539588
  12. Xu T., Shimada T., Araki Y., Wang J., Kitamura T. // Nano Lett. 2015. V. 16. № 1. P. 454. https://www.doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04113
  13. Paruch P., Kolton A.B., Hong X., Ahn C.H., Giamar- chi T. // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 21. P. 214115 https://www.doi.org/10.1103/physrevb.85.214115
  14. Qi Tan, Xu Z., Jie-Fang Li // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71. P. 1062. https://www.doi.org/10.1063/1.119728
  15. Balke N., Ramesh R., Yu P. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 45. P. 39736. https://www.doi.org/10.1021/acsami.7b10747
  16. Zhang D., Sando D., Sharma P., Cheng X., Ji F., Govinden V., Weyland M., Nagarajan V., Seidel J. // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 349. https://www.doi.org/10.1038/s41467-019-14250-7
  17. Samanta S., Sankaranarayanan V., Sethupathi K. // Vacuum. 2018. V. 156. № 456. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.08.015
  18. Hosun Lee, Youn Seon Kang, Sang-Jun Cho, Bo Xiao, Hadis Morkoç, Tae Dong Kang, Ghil Soo Lee, Jingbo Li, Su-Huai Wei, Snyder P.G., Evans J.T. // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 094108. https://www.doi.org/10.1063/1.2128043
  19. Lo V.C., Li K.T. // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2006. V. 18. № 5. P. 553. https://www.doi.org/10.1007/s10854-006-9070-y
  20. Татохин Е.А., Каданцев А.В., Бормонтов А.Е., Задорожний В.Г. // Физика и техника полупроводников. 2010. T. 44. №. 8. С. 1031. journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/7187
  21. Kuzenko D.V., Ishchuk V.M., Bazhin A.I., Spiridonov N.A. Long-time aftereffects and relaxation in piezoelectric ceramics // Ferroelectrics. 2015. V. 474. P. 156. https://www.doi.org/10.1080/00150193.2015.997179
  22. Kuzenko D.V. // J. Adv. Dielectrics. 2022.V. 12. № 3. P. 2250010. https://www.doi.org/10.1142/S2010135X22500102
  23. Kuzenko D.V. // J. Adv. Dielectrics. 2021. V. 11. № 1. P. 2150006. https://www.doi.org/10.1142/S2010135X21500065
  24. Кузенко Д.В. // Вестник Донецкого национального университета. Серия А: Естественные науки. 2022. № 4. С. 15. donnu.ru/public/journals/files/Vestnik_DonNU_A_ 2022_N4.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Dependence of dielectric permittivity on temperature ε(T) (a) and logarithm of dielectric permittivity on inverse temperature lnε(1/T) (b) for Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 samples; 1-4 - areas of the graph approximated by linear dependence

Download (101KB)
3. Fig. 2. Activation energies for temperature-activation processes in the segmentoelectric phase, corresponding to linearly approximated lnε(1/T) plots, and domain wall displacements (schematically) attached to VO2+ oxygen vacancies. DC - domain wall, P - polarisation, u - domain wall displacement, a - unit cell parameter

Download (209KB)
4. Fig. 3. Surface morphology of unpolarised (1), polarised (2) and annealed at 373 (3), 473 (4), 536 (5, corresponds to Td), 552 K (6, fully depolarised sample) after polarisation of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 sample obtained in the reflectance mode at room temperature

Download (60KB)
5. Fig. 4. Relaxation of dielectric constant after annealing of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 samples (a) and temperature dependence of dielectric constant relaxation rate (b). Td < TC - depolarisation temperature

Download (104KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».