Диэлектрические свойства кристаллов KDP с примесями сложного состава

На правах рукописиГрабовский Сергей ВикторовичДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАКРИСТАЛЛОВ KDPС ПРИМЕСЯМИ СЛОЖНОГО СОСТАВАСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква• 2008 •Работа выполнена на физическом факультетеМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова(кафедра общей физики и магнитоупорядоченных сред)Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Струков Б.А.Официальные оппоненты:доктор физико-математическихдоцент Мишина Е.Д.наук,доктор технических наук,профессор Рашкович Л.Н.Ведущая организация:Воронежский государственныйуниверситетЗащита состоится 24 декабря 2008 г., в 1530 на заседаниидиссертационногосоветаД.501.002.01.приМосковскомгосударственном университете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119991,ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан 20 ноября 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета 501.002.01,кандидат физико-математических наукЛаптинская Т.В.I. Общая характеристика работы1.1. АктуальностьСемейство кристаллов группы дигидрофосфата калия (KH2PO4, сокращенноеназвание − KDP) хорошо известно физикам-сегнетологам, специалистам понелинейной оптике и кристаллохимии. Хотя KDP и считается одним из классическихсегнетоэлектриков, являясь модельным объектом, он занимает отдельное местосреди многочисленных сегнетоэлектрических кристаллов.

Наиболее ярко егоособенности проявляются в аномалиях диэлектрических свойств, которыеобнаруживают необычное поведение в сегнетоэлектрической фазе. Специальноевнимание исследователей привлекает ярко выраженный доменный вклад вдиэлектрическую проницаемость и связанные с ним явления.Благодаря тому, что вклад доменной структуры в макроскопические свойстваявляется определяющим, в кристаллах группы KDP наблюдаются многочисленныеэффекты, имеющие доменное происхождение. С этим связано появление большогоколичества экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению иобъяснению данных явлений, в том числе в последние годы.

Однако природа этогоаномального феномена в кристаллах KDP является предметом теоретических иэкспериментальных исследований до сих пор.Динамические свойства доменной структуры KDP и, следовательно,диэлектрические свойства кристалла крайне чувствительны к различным факторами воздействиям: наличию примесей, электрических полей, облучению и т.д.Благодаря этому удается проследить изменения диэлектрических свойствкристаллов, и тем самым получить сведения о физике и механизмах происходящиханомальных процессов. В этой связи особое внимание ранее уделялось изучениюкристаллов KDP с различного рода примесями, в основном − простого состава,например, поливалентных ионов металлов.В последние годы к кристаллу KDP возник усиленный интерес в связи сразработкой для нужд лазерной техники метода скоростного роста кристаллов KDP,который позволил получать кристаллы больших размеров со скоростями,превышающими классические в десятки раз.

явлениеС появлением скоростного метода выращивания кристаллов KDP былообнаружено, что при больших скоростях возможно вхождение в кристаллическуюматрицу KDP органических соединений, в том числе синтетических красителей.Таким образом появилась возможность исследовать влияние сложных органическихсоединений на свойства кристалла, что раньше было невозможно. Это в своюочередь открыло новые возможности для создания кристаллов с заданнымисвойствами, модификации кристаллов введением примесей различной природы.Данные открытия вызвали в 1990-2000-х годах появление многочисленных работ,посвященных исследованию свойств кристаллов в связи с особенностью ихвыращивания, изучению механизмов внедрения различного рода примесей вкристаллическую матрицу кристалла.3Самостоятельный интерес представляет вопрос о качестве кристаллов,получаемых скоростным методом, каковы их сегнетоэлектрические свойства, каковастепень влияния способа роста кристалла KDP на его диэлектрические свойства,какое влияние оказывают сложные органические и неорганические примеси нафазовый переход и диэлектрические свойства кристаллов KDP; можно ли выявить спомощью этих исследований новую информацию об аномальных явлениях в KDP, опричинах и механизмах вхождения сложных молекул в кристаллическую решеткукристалла.

Всё это стало вопросами, поставленными перед началом этой работы.1.2. Цели и задачи работыЦелью данной работы было, во-первых, изучение влияния методики выращивания надиэлектрические свойства кристаллов KDP. Во-вторых, исследование фазовыхпереходов и диэлектрических свойств кристаллов с введенными органическими инеорганическими примесями, прояснение природы аномальных диэлектрическихявлений в KDP. В-третьих − выяснить закономерности влияния на свойства кристаллапримесей различного характера, возможные механизмы вхождения примесей вкристаллическую матрицу кристалла.Для этого были поставлены следующие задачи:• определить диэлектрические свойства чистых кристаллов KDP, полученных поскоростной методике роста и сравнить их со свойствами кристалла, полученных потрадиционной (медленной) технологии.• исследовать диэлектрические свойства кристаллов KDP с различныминеорганическими и органическими примесями простого и сложного состава.Исследовать их влияние на температуру фазового перехода, динамику доменнойструктуры, дефектность кристалла.• выяснить различие характера воздействия на диэлектрические свойства взависимости от состава примеси и сектора кристалла; предложить возможныепричины и схемы селективного вхождения сложных примесных молекул вкристаллическую матрицу KDP.1.3.

Объекты исследованияОбъектами исследования в данной работе являются чистые и примесные кристаллыKDP. Чистые кристаллы были выращены как по классической, так и по скоростнойметодике. Исследованные примесные кристаллы содержали примеси – от простыхнеорганических ионов до сложных органических соединений:• Кристаллы KDP с примесью ионов хрома Cr3+• Кристаллы KDP с примесью сложных неорганических молекул К4[Ru2OCl10](potassium m-oxo-bis [pentachlororuthenate[IV]] monohydrate)*.• Кристаллы KDP с примесью органических соединений (синтетических красителей):Amaranth, Chicago Sky Blue, Xylenol Orange*оксо-дипентохлорорутенат калия, наше сокращение – «рутениевый комплекс».4Примесные кристаллы были получены скоростным методом роста.

Концентрацииспециально введенных молекул в исходных растворах составляли ∼10-4 мол.% (100700 ppm).1.4. Научная новизнаВ работе впервые получены следующие научные результаты:• исследовано влияние примесей органических соединений – синтетическихкрасителей на диэлектрические свойства, температуру фазовых переходов,динамику доменной структуры, дефектность кристаллов KDP.• определены диэлектрические свойства кристаллов KDP, полученных по скоростнойметодике роста и исследовано влияние методики роста на диэлектрическиесвойства кристаллов KDP.• установлено отличие диэлектрических свойств разных секторов роста номинальночистых кристаллов KDP.• установлено, что температура фазовых переходов в кристаллах с неорганическимипримесями сдвигается в сторону меньших температур, тогда как в кристаллах спримесями органических молекул остается неизменной.• показано, что величина доменного вклада в диэлектрическую проницаемостькристалла KDP в полярной фазе может служить характеристикой качества кристаллаи на этой основе получена информация о диэлектрических свойствах кристалловKDP с примесями молекул сложного состава.• обнаружен температурный гистерезис диэлектрической проницаемости в полярнойфазе примесных кристаллов KDP.• выявлено различие влияния на фазовый переход и диэлектрические свойствакристаллов в зависимости от характера примесей.1.5.

Практическая значимостьВ последние годы уникальные нелинейно-оптические свойства кристаллов группыKDP активно используются в различных технических приложениях, особенно влазерной технике. Скоростная методика роста, позволившая получатькрупногабаритные кристаллы, дала возможность использовать их в устройствахуправления мощным лазерным излучением, в том числе в проекте управляемоготермоядерного синтеза, осуществляемом Ливерморской национальной лабораторией.Для подобных задач крайне важен контроль чистоты и формы кристаллов, иданные о влиянии методики роста и различных примесей на степень дефектностикристаллов, полученные в данной работе, позволяют получать информацию очистоте кристаллов, контролировать степень их дефектности, осуществлятьискусственную десимметризацию секторов роста, управлять габитусом кристалла.Результаты данной работы не только проясняют фундаментальную физическуюприроду аномальных диэлектрических свойств KDP, но и расширяют возможностимодификации свойств KDP введением примесей различной природы, разработкисложных комбинаций сегнетоэлектрических матриц с примесями, целенаправленноговарьирования подвижности доменных границ, формирования доменной структуры дляполучения кристаллов с заданными свойствами.51.6.