Диэлектрические свойства кристаллов KDP с примесями сложного состава, страница 2

Личный вклад автораДиссертантом лично были получены все основные экспериментальные данные,проведена их обработка и анализ. Выбор направления исследований, обсуждениерезультатов проводились совместно с научным руководителем проф. Б.А.Струковым при участии И.В. Шнайдштейна. Измерения частотных зависимостейимпеданса были проведены в лаборатории сегнетоэлектричества УниверситетаВаседа (Япония).1.7.

Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующихвсероссийских и международных конференциях:• Third international seminar on ferroelastics physics (ISPF-3). Voronezh (Russia),11-14 September 2000.• 10-th International Meeting on Ferroelectricity (IMF-10), Madrid (Spain), 3-7 September 2001• 16-я Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков, Тверь, 17-21 сентября 2002.• 7-th International Symposium on Ferroic Domains and Mesoscopic Structures (ISFD-7),Giens (France), 15-19 September 2002.• NATO Advanced Research Workshop on the Disordered Ferroelectrics (DIFE-2003),Kiev(Ukraine), 29 May-2 June 2003• 10-th European Meeting on Ferroelectricity (EMF-2003), Cambridge (United Kingdom),3-8 August 2003.• 4-th international seminar on ferroelastics physics (ISPF-4), Voronezh (Russia),15-18 September 2003.• Международная конференция «Ломоносов-2004» (секция «Физика»).Москва, Физический факультет МГУ, Апрель 2004.• 10-я Международная конференция по физике диэлектриков (Диэлектрики-2004),С-Петербург, 23-27 мая 2004.• 8-th Russia-CIS-Baltic-Japan Symposium on Ferroelectricity, Tsukuba (Japan), 15-19 May 2006.• 3-th East-European Meeting on Ferroelectrics Physics, Lviv (Ukraine), 4-7 September 2006.1.8.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 9 научных статей в российских и зарубежныхреферируемых изданиях, а также 11 тезисов докладов на конференциях (всего – 20печатных работ).1.9. Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии.Общий объем – 161 стр., включая 123 рис., 6 таблиц. Список цитируемойлитературы содержит 158 наименований.6II. Содержание работыВо введении обосновываетсяосновные цели и задачи работы.актуальностьисследования,формулируются2.1. Первая глава представляет собой литературный обзор, содержащийсовременные данные об основных сегнетоэлектрических свойствах кристалловгруппы KDP.В параграфе 1.1 приведены данные о кристаллической структуре и освещеныпоследние представления о механизме фазового перехода в кристаллах группыKDP.В структуре кристаллов KDP особую роль играет протонная подсистема – и прифазовом переходе, и в сегнетоэлектрической фазе, и ее рассмотрение приводит кобъяснению как механизма фазового перехода, так и аномалий диэлектрическихсвойств, связанных с доменной структурой [1-2].

Положение протонов на ) определяется потенциалом с двумяводородных связях OH…H (длина R ≈ 2.50 A (рис.1). Теоретические иминимумами, расстояние между которыми δ = 0,3-0.4 Aэкспериментальные работы последних лет, в том числе и основанные на расчетах изпервых принципов, показывают, чтоструктурныйфазовыйпереходвсегнетоэлектрическую фазупри 122Кимеет смешанную природу, содержа каккомпонентуупорядочения,такисмещения [3]. При этом упорядочениепротонов на водородных связях, являясьчастьюфазовогоперехода,рассматривается как пусковой механизм,приводящий к смещению тяжелых атомовкалия и фосфора, дающему основнойвкладвспонтаннуюполяризацию.Рис 1. Схематическое изображениеКвантово-механическийэффектфосфатных групп и водородной связитуннелированияпротоноввмежду ними в структуре кристалла KDP.двухминимумном потенциале водороднойПроекция, перпендикулярная оси с.Цифры в скобках – относительные коорсвязииграетбольшую,еслинединаты тяжелых атомов вдоль оси с [3].определяющую, роль в объясненииприроды фазового перехода.

При этомтуннелирование состоит не только издинамики одиночного протона, но и изколлективных кластерных смещений,включающих в себя также тяжелыеатомы. Изотопический эффект точкиКюри (при замене водорода на дейтерий)также определяется двумя факторами –Рис. 2. Схематическое изображениесмещения доменных стенок в кристаллахKDP: боковой(а) и продольный(b) тип [4].массовым и геометрическим и связан какс массой частицы, так и длиной и формойводородной связи.7В параграфе 1.2 приведены данные о статике и динамике доменной структурыкристаллов группы KDP. В KDP доменная структура играет более важную роль, чемв остальных сегнетоэлектриках, определяя многие физические свойства кристалла.Доменная структура KDP состоит из регулярных параллельных пластин, вытянутыхвдоль всего объема кристалла, доменные стенки которых совпадают стетрагональными плоскостями (100) и (010) [4]. Ширина доменов, поэкспериментальным данным разных авторов, составляет порядка 1 микрона и спонижением температуры увеличивается.

Ширина доменных стенок составляетδ ≈ 25 A (при ТС–10К), эффективная ширина (учитывающая малые искаженияграниц) − δ ≈ 50-100 A. Ширина доменной стенки уменьшается при удалении от ТСи по данным оптических исследований при температуре 80-100 К становится оченьузкой (1-2 параметра решетки).Одной из главных особенностей кристаллов группы KDP является то, чтодоменные стенки в сегнетофазе обладают аномально высокой подвижностью,значения которой превышает значения подвижности большинства, если не всех,известных сегнетоэлектриков. При движении доменных границ наблюдаются какбоковые смещения, так и продольные вибрации (рис. 2.) Выяснено, что в движениедоменных стенок вовлечены протоны, и при частичном переключении поляризации,связанном с движением стенки, протоны смещаются из одного минимумаводородной связи в другой.Согласно современным представлениям, строение доменной границы в KDPявляется одним из важнейших факторов, определяющих ее собственнуюподвижность в кристалле [5].

Исходным фактором, контролирующим ееперемещение, является решеточный потенциальный рельеф, связанный спространственной зависимостью плотности поверхностной энергии доменнойстенки. При этом, как выяснено в результате теоретических расчетов параметровдоменных стенок кристаллов KDP, эффект туннелирования оказывает большоевлияние на строение и энергию границ и, следовательно, ее подвижность.Теоретическое рассмотрение зависимости энергетического рельефа, в которомдвигается стенка, от параметров доменной стенки дает очень сильную зависимостьбоковой скорости стенки от ее ширины δ и, даже небольшое увеличение δ должноприводить к существенному росту скорости стенки [5]. Как показано, ширинадоменной границы вблизи ТС достаточно велика благодаря отличному от нулятуннелированию.

Таким образом, большая ширина доменных стенок приводит кувеличению их подвижности и скорости.Следовательно, согласно существующим представлениям, эффект аномальнойподвижности доменных стенок в KDP сводится к представлению о важной ролитуннелирования протонов на водородных связях. Это хорошо подтверждаетсяданными о том, что в дейтерированных кристаллах группы KDP, гдетуннелирование ослаблено, подвижность доменных стенок значительно ниже.Статика и особенно динамика доменной структуры KDP существенно зависят отприсутствия в системе дефектов.

Взаимодействие доменной границы с дефектамиреального кристалла приводит к деформации ее формы (прогибы), к закреплению(пиннингу) доменной стенки на дефектах. В зависимости от типов дефектоввозможны захват подвижных дефектов границей или продвижение через системунеподвижных стопоров.8В параграфе 1.3 подробно описаны диэлектрические свойства кристалловгруппы KDP в параэлектрической и сегнетоэлектрической фазах, в областифазового перехода. Сделаны выводы, проясняющие возможную природуаномальных явлений в кристаллах группы KDP.Благодаря особенностям доменной структуры диэлектрические свойствакристалловгруппыKDPобладаютаномальнымповедением:всегнетоэлектрической фазе в широком интервале температур (порядка несколькихдесятков градусов ниже ТС, т.н. область «плато») наблюдаются весьма высокиезначения диэлектрической проницаемости, которая резко падает до малыхзначений при определенной низкой температуре (температура замораживаниядоменной структуры, TF). Высокие значения ε в этой области связаны с динамикойдоменной структуры, которая определяет доменный вклад в диэлектрическуюпроницаемость кристалла [6-7].

Доменные стенки осциллируют около своихравновесных положений и осуществляют локальную переполяризацию кристалла,увеличивая его диэлектрическую проницаемость.Полная диэлектрическая постоянная в сегнетофазе ε FERRO вдоль оси с можетбыть представлена как сумма двух вкладов, один из которыхε MONO связан сε DOM − с доменной структурой и= ε MONO + ε DOM . Доменный вклад неналичием фазового перехода, а другой −подвижностью доменных стенок:ε FERROявляется термодинамически определяемой величиной, но, как установленоэкспериментально, его значение пропорционально монодоменнному вкладу скоэффициентом, зависящим от свойств доменной текстуры [4]. Несколько градусовниже ТС справедливо соотношение: ε DOM ∼ ε MONO . Показано, что величинадоменного вклада зависит в первую очередь не от количества доменов и стенок, аот суммарной площади последних.Систематизированы и обобщены модели, рассматривающие природу эффектазамораживания доменной структуры при низких температурах.

Большинствоавторов объясняют данный феномен исчезновением доменного вклада за счетуменьшения подвижности доменных границ и связывают это с различнымимикроскопическими механизмами в доменной стенке. Сделан вывод о том, чтоэффект замораживания является следствием изменения конфигурации доменныхстенок, и причины эффекта сводятся к особенностям строения доменной стенки идинамики протонов на водородной связи [5,8].Согласно наиболее проработанной модели [5], в которой был проведенмикроскопический расчет структуры и энергии доменных границ, доменная стенкадвигается в периодическом решеточном рельефе, зависящем от температуры.