Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
В ряде случаев образование включений является следствием действия нескольких факторов (например, выделение частиц осадка в условиях неблагоприятного соотношения скоростей роста с/г и др.).
Глава 5
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО КВАРЦА
В данном разделе будет рассмотрена взаимосвязь между различными физическими свойствами синтетических кристаллов кварца и условиями роста. Определенные различия в условиях роста кварца в природе и при искусственном выращивании в различных средах накладывают отпечаток и на структурно-чувствитель-ные физические характеристики кварца как кристаллического материала. Успехи в области получения совершенных кристаллов, ставшие возможными на базе знания реальной структуры кварца в связи с условиями роста, определили широкое применение синтетических кристаллов, практически полностью заменивших природные как в радиоэлектронике, так и в оптическом приборостроении и в качестве сырья для ювелирной промышленности. 130 Электрические свойства кристаллов искусственного кварца
Наряду с такими микроскопическими методами исследования реальной структуры, как ЭПР, оптическая спектроскопия, комбинационное рассеяние и т. д., необходимо привлекать те или иные методы диэлектрической спектроскопии, изучающей макроскопические характеристики кристаллов: электропроводность и комплексную диэлектрическую проницаемость до IO10 Гц. Особую значимость эти методы приобретают в тех случаях, когда точечные дефекты реального кристалла непарамагнитны, оптически неактивны, но электрически активны в невозбужденном состоянии.
Эта ситуация реализуется в кристаллах кварца, получаемых в щелочных средах, поскольку для этих кристаллов преобладающим типом электрически активных точечных дефектов являются примесные щелочные ионы, входящие в структуру кварца при гетеровалентном изоморфизме.
Многочисленными исследованиями были доказаны миграция щелочных ионов в кварце в направлении приложенного постоянного электрического поля и их релаксация в переменном электрическом поле при температурах термической активации этих ионов. Понятно, что подвижность щелочных ионов при миграции существенно зависит от степени разупорядоченности кристаллической структуры, в том числе за счет коллоидно-дисперсных включений неструктурной примеси (и. п.), концентрация которой зависит от условий роста и определяет основные технические характеристики изделий из пьезокварца. Поэтому изучение процессов электропереноса в кристаллах кварца, в частности, темпе-ратурно-частотных зависимостей электрических характеристик, является одним из эффективных методов исследования этих кристаллов [6].
Электропроводность в постоянном электрическом поле
Для исследования электрических характеристик, в том числе электропроводности, было подобрано несколько серий кристаллов кварца, различающихся температурами кристаллизации Ткр. Кристаллы в пределах каждой серии выращивались при постоянной температуре кристаллизации, но с различными скоростями укр. Для корректности сопоставления результатов, полученных для исследованных кристаллов, все технологические параметры кристаллизации, за исключением Ткр и икр, сохранялись одинаковыми для всех кристаллов.
В качестве параметра сравнения была выбрана энергия активации Е, значение которой рассчитывают из температурных зависимостей электропроводности а (или удельного сопротивления P = O-1) р = р0еЕ/"\
Такой выбор обусловлен тем, что энергия активации определяется не столько концентрацией электрически активных щелочных ионов, сколько их подвижностью, которая, как сказано 12,5
23,5
?,1 29
18
кр>
320 340 360 Ткр>вС
Рис. 38. График зависимости энергии активации электропроводности от скорости роста кристаллов кварца:
Рис. 39. График зависимости степени изменения энергии активации электропроводности ' от температуры кристаллизации
выше, находится в прямой зависимости от структурного окружения этих ионов.
Основные закономерности, полученные при исследовании кристаллов кварца, выращенных в щелочной среде, иллюстрируются графическими зависимостями E (vКР), представленными на рис. 38, 39.
Для всех исследованных температур кристаллизации в интервале 314—360 0C значения энергии активации проводимости возрастают с увеличением скорости роста по линейному закону в интервале скоростей 0,05—0,38 мм/сут. При этом интенсивность возрастания E уменьшается с увеличением температуры кристаллизации. Функция E (икр) при Tkp = const линейна не только для кристаллов кварца, выращенных без добавок, но и при добавлении в кристаллизационный раствор соли Li F (пунктирная линия на рис. 38).
Поскольку увеличение скорости роста и снижение температуры кристаллизации приводят к увеличению концентрации н. п. в кристаллах, то установленные закономерности изменения энергии активации проводимости при изменении Tkp и акр могут быть объяснены именно различиями в концентрации н. п. в исследованных кристаллах.
С увеличением концентрации н. п. в кристалле возрастает степень «блокирования» структурных каналов, параллельных оси г, которые являются путями сквозной миграции щелочных ионов, что приводит к снижению их подвижности, а следовательно, к увеличению эффективного удельного сопротивления при комнатной температуре. С повышением температуры этот эффект
