Оценка интенсивности приэлектродных электрохимических процессов на полярных срезах ионных диэлектрических кристаллов по токам короткого замыкания: подбор токопроводящего покрытия

При создании современных устройств пьезо-, акустои оптоэлектроники, работающих в широком диапазоне температур, применяют рабочие элементы из полярных срезов ионных диэлектрических кристаллов полярных и полярно-нейтральных классов. На поверхности полярных срезов наносят токопроводящие покрытия, что приводит к деградации (вплоть до разрушения) кристаллических элементов. Однако природа такой деградации пока не установлена. Теоретически обоснованы механизмы возникновения электродвижущей силы и ионного переноса в системе «ионный диэлектрик металл (токопроводящее покрытие)». Показано, что основным фактором деградации активных элементов является процесс электрохимического разложения полярных срезов при контакте кристалла с металлическим токопроводящим покрытием, обусловленный различием свойств противоположных сторон полярных срезов кристаллов. При контакте поверхности полярных срезов кристаллов даже с одинаковыми токопроводящими покрытиями образуются разные продукты электрохимических реакций или одни и те же продукты разной концентрации. Это приводит к возникновению разности потенциалов и электродвижущей силы, которая индуцирует токи короткого замыкания. Определение токов короткого замыкания и их температурных зависимостей позволяет оценить интенсивность приэлектродных электрохимических процессов: чем меньше сила токов короткого замыкания, тем слабее электрохимические процессы. В данной работе обобщены результаты многолетних исследований токов короткого замыкания в ряде кристаллов, полученные авторами настоящей статьи. Описаны измерения электрических токов модельных кристаллов иодата лития на созданном ранее испытательном комплексе «СКИП» в рамках авторской методики измерений с использованием стандартного образца высокоомного сопротивления (100 МОм). Основной блок комплекса термокамера в виде трубчатой электропечи. Исследованы функциональные кристаллы лангатата с различными токопроводящими покрытиями, выращенные в разных атмосферах. Измерены температурные зависимости токов короткого замыкания полярных срезов данных кристаллов. Обнаружено, что с увеличением температуры в термокамере могут изменяться значение и направление протекания токов короткого замыкания из-за усиления процессов фазообразования, что подтверждается результатами фазового анализа. По результатам измерений токов короткого замыкания, подтверждённых данными фазового анализа, для лангатата наиболее подходящим вариантом токопроводящего покрытия является иридий.

1. Шаскольская М. П. Кристаллография. Высшая школа, Москва (1984).

2. Желудев И. С. Физика кристаллических диэлектриков. Наука, Москва (1968).

3. Gotmare S. W., Leontsev S. O., Eitel R. E. Thermal degradation and aging of high-temperature piezoelectric ceramics. Journal American Ceramic Society, 93(7), 1965–1969 (2010). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.03663.x

4. Schulze W. A., Ogino K. Review of literature on aging of dielectrics. Ferroelectrics, 87, 361–377 (1988). https://doi.org/10.1080/00150198808201399

5. Genenko Y. A., Glaum J., Hoffmann M. J., Albe K. Mechanisms of aging and fatigue in ferroelectrics. Materials Science and Engineering: B, 192, 52–82 (2015). https://doi.org/10.1016/j.mseb.2014.10.003 ; https://elibrary.ru/soiqpk

6. Шпортенко А. С., Кубасов И. В., Кислюк А. М., Турутин А. В., Малинкович М. Д., Пархоменко Ю. Н. Влияние контактных явлений на измерение электропроводности восстановленного ниобата лития. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 24(3), 199–210 (2021). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-3-199-210 ; https://elibrary.ru/jzzsfx

7. Козлова Н. С., Забелина Е. В. Влияние приэлектродных процессов на достоверность электрофизических измерений диэлектрических кристаллов. Тезисы докладов VII Международной научно-технической конференции «Метрология физико-химических измерений», Ярославль, 2–5 сентября 2025 г., с. 97–99, ВНИИФТРИ, Менделеево (2025). https://elibrary.ru/gonmsj

8. Блистанов А. А., Козлова, Н. С., Гераськин В. В. Влияние поверхностных состояний на особенности фазовых превращений и формирование структурных дефектов в кристаллах иодата лития. Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, 4, 66–71 (1996).

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

10. Блистанов А. А., Козлова Н. С., Гераськин В. В. Явление электрохимического разложения полярных диэлектрических кристаллов (диплом № 216). Научные открытия: Сборник кратких описаний научных открытий, научных гипотез, (2), 20 (2002).

11. Zhu Yong, Zhang Dao-Fan, Xu Zheng-Yi. The electrical properties of KLiSO4 single crystals. Acta Physica Sinica, 31(8), 1073–1079 (1982). (In Chin.) https://doi.org/10.7498/aps.31.1073

12. Juhasz C., Gil-Zambrano J. L. Spontaneous electric currents from nylon films. Journal of Physics D: Applied Physics, 15(2), 327–336 (1982). https://doi.org/10.1088/0022-3727/15/2/019

13. Sharma R., Sud L. V. Temperature-dependent currents in unpolarised poly(vinyl alcohol). Journal of Physics D: Applied Physics, 14(9), 1671–1676 (1981). https://doi.org/10.1088/0022-3727/14/9/015

14. Srivastava J. P., Shrivastava S. K., Srivastava A. P. Thermally stimulated discharge currents from unpoled iodine doped polyvinylacetate. Japanese Journal of Applied Physics, 20(12), 2439–2442 (1981). https://doi.org/10.1143/JJAP.20.2439

15. Kozlova N. S., Zabelina E. V., Kozlova A. P., Buzanov O. A. Features of behavior of near-electrode processes of dielectric crystals. 2019 IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF), Lausanne, Switzerland, July 14–19, 2019. https://doi.org/10.1109/ISAF43169.2019.9034964 ; https://elibrary.ru/cycgnf

16. Козлова Н. С., Забелина Е. В., Быкова М. Б., Козлова А. П. Особенности проявления поверхностных электрохимических процессов в сегнетоэлектрических кристаллах с низкотемпературными фазовыми переходами. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 21(3), 146–155 (2018). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-3-146-155 ; https://elibrary.ru/dsiaew

17. Умылин В. Е., Козлова Н. С., Забелина Е. В., Корчагин А. В., Петраков В. С. Зависимость токов короткого замыкания от температуры в кристаллах α-LiIO3. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 28(1), 25–33 (2025). https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202503.639 ; https://elibrary.ru/ctjfsb

18. Иодат лития: выращивание кристаллов, их свойства и применение. Под ред. Богданова С. В. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск (1980).

19. Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. Вища школа, Киев (1980).

20. Safyanov I. V., Dzhabrailov K. A., Gematudinov R. A. Study of the possibility of using langatate and langasite crystals as a sensing element in vehicle weight sensors in dynamics. 2022 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED) IEEE, Moscow, November 10–11 2022, pp. 1–5 (2022). https://doi.org/10.1109/TIRVED56496.2022.9965510

21. Wang S., Thinakaran G., Ji C., Dai P., Guo G., Shen L., Bao N. Growth of large langatate (La3Ta0.5Ga5.5O14, LTG) crystals with high electrical resistivity. Materials Research Bulletin, 152, 111848 (2022). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.111848 ; https://elibrary.ru/fqhrqp

22. Wang S., Wang X., Ji C., Dai P., Shen L., Bao N. Growth of high-quality langatate crystals by the Czochralski method with elimination of Ga2O3 volatilization. CrystEngComm, 26(9), 1312–1318 (2024). https://doi.org/10.1039/d3ce01198d ; https://elibrary.ru/ooygvc

23. Boutahraoui B., Ghezal E. A., Nehari A. et al. Impact of growth atmosphere on langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14) crystals grown by Czochralski technique and its coloration. Optical Materials, 128, 112409 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112409 ; https://elibrary.ru/ifewwq

24. Mill B. V., Maximov B. A., Pisarevsky Yu. V., Danilova N. P., Markina M. P., Pavlovska A., Werner S., Schneider J. Phase transitions in langasite family crystals. IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Joint 50th Anniversary Conference, Montreal, Canada, August 23–27 2004, pp. 52–60. https://doi.org/10.1109/FREQ.2004.1418428

25. Кугаенко О. М., Базалевская С. С., Сагалова Т. Б., Петраков В. С., Бузанов О. А., Сахаров С. А. Высокотемпературная устойчивость фазового состава кристаллов семейства лангасита. Известия РАН. Серия физическая, 78(10), 1322–1329 (2014). https://doi.org/10.7868/S0367676514100135; https://elibrary.ru/snwuxn

26. Базалевская С. С., Кугаенко О. М., Петраков В. С., Бузанов О. А., Сахаров С. А. Исследование температурного диапазона работоспособности монокристаллических пьезоэлектрических элементов на основе кристаллов семейства лангасита. Известия РАН. Серия физическая, 80(10), 1423–1429 (2016). https://doi.org/10.7868/S0367676516100069 ; https://elibrary.ru/wlnlmp