The Peculiarities of the Electrical Conductivity of LiNbO₃ Crystals, Reduced in Hydrogen

Abstract

The low-frequency impedance spectroscopy method has been used to investigate the electrical conductivity peculiarities of lithium niobate (LN) crystals reduced in hydrogen. It has been found that the activation energy value of the dark electrical conductivity of such crystals in a temperature range of 288...370 К is equal to 0.68±0.02 eV. It has been demonstrated that the multiple heating of «black» LN crystals up to a temperature of about 420 K results in surface layers with modified electrical properties to occur in the crystal’s polar faces. The electrical conductivity mechanism of LiNbO3 crystals reduced in the hydrogen-containing atmosphere, and the causes of the instability of these properties are discussed.

Исследование стабильности электрических свойств восстановленных кристаллов LiNbO-=SUB=-3-=/SUB=-

“…Значение энергии активации E a лежит в диапазоне 0.68−0.70 eV [7,8] и отвечает биполяронному характеру проводимости.…”

“…В процессе исследования электрической проводимо-сти объемных кристаллов НЛ, восстановленных в ат-мосфере водорода [8] и в насыщенных парах воды [7], были обнаружены эффекты, свидетельствующие о неста-бильности и деградации электрических свойств этих образцов после прогревов на воздухе до температур 423−473 K. Очевидно, такие явления ограничивают диа-пазон температур, в котором могут эксплуатироваться изделия на основе этого материала.…”

“…Вид этих диа-Журнал технической физики, 2017, том 87, вып. 7 грамм указывает на то, что эквивалентная электриче-ская схема кристалла может быть представлена в виде двух последовательно соединенных параллельных RC-цепочек [8,12], одна из которых (R 1 и C 1 ) отвечает за внутреннюю область кристалла и формирует вы-сокочастотную часть диаграммы, а вторая (R 2 и C 2 ) моделирует свойства приэлектродной области [8]. На-глядно видно, что с увеличением T 0x сопротивление приповерхностных слоев резко возрастает.…”

“…Восстановительные отжиги в пределах ошибки не влияют на главные значения тензора диэлектрической проницаемости кристаллов НЛ в области низких частот (до 20 kHz) в исследуемом температурном диапазоне [8]. Поэтому в соответствии с эквивалентной схемой кри-сталла можно оценить суммарную толщину приповерх-ностных слоев с модифицированными электрическими свойствами d m :…”

Исследование диффузии кислорода в восстановленных кристаллах LiNbO-=SUB=-3-=/SUB=-

“…Из данных, приведенных в этой таблице, следует, что эксперимен-ты были ограничены диапазоном высоких температур (T ≥ 800 K), а их результаты противоречивы. Изучение температурной зависимости электрической проводимости кристаллов НЛ, восстановленных в атмо-сфере водорода или в насыщенных парах воды, показало, что их электрическое сопротивление при комнатной температуре резко увеличивается после прогрева об-разца на воздухе до температур 433−473 K [17,18]. Известно, что в процессе восстановительного отжига кристаллов НЛ происходит частичная потеря образцом кислорода, сопровождающаяся возникновением кисло-родных вакансий V O и биполяронов (Nb [2,19], в результате чего электрическая проводимость кристал-ла увеличивается на несколько порядков и происхо-дит окрашивание кристалла [2,19,20].…”