Неклассические тепловые явления в реальных сегнетоэлектрических кристаллах

На правах рукописиШнайдштейн Илья Владимирович«Неклассические»тепловые явленияв реальныхсегнетоэлектрических кристаллах01.04.07 — физика конденсированного cостоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА 2007Работа выполнена на кафедре общей физикии магнитоупорядоченных сред физического факультетаМосковского государственного университетаимени М.В. ЛомоносоваНаучный руководительдоктор физико-математических наук, профессорСтруков Борис АнатольевичОфициальные оппонентыдоктор физико-математических наук, профессорГорелик Владимир Семеновичкандидат физико-математических наук, доцентБелокопытов Геннадий ВасильевичВедущая организацияИнститут физики имени Л.В.

Киренского СО РАНЗащита состоится 16 мая 2007 г. в 16 час. 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01в Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносовапо адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ,д. 1, стр. 35, Конференц-зал ЦКП физического факультета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекефизического факультета МГУ имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «» апреля 2007 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Т.В.

ЛаптинскаяОбщая характеристика работыАктуальность работыВсе возрастающее применение сегнетоэлектрических материалов в промышленности, в том числе, при производстве компонент запоминающих устройств,элементов управления передачей оптических сигналов и различного рода преобразователей, делает актуальным изучение зависимости физических свойств сегнетоэлектрических кристаллов от нарушений однородности структуры, вызванных какискусственно вводимыми в кристалл примесями, так и дефектами роста в реальныхкристаллах.Естественно, что наибольший интерес вызывают такие свойства кристаллов, которые оказываются наиболее чувствительными к изменениям степени несовершенства кристалла, заключающимся в изменениях концентраций различных типов дефектов. Такие структурно-чувствительные свойства кристаллов поддаютсясистематическому изучению, которое создает основу для целенаправленной модификации практически важных свойств материалов.В материалах, в которых имеют место структурные, в частности, сегнетоэлектрические, фазовые переходы, влияние дефектов особенно отчетливо проявляется в изменениях вида аномалий различных термодинамических величин в окрестности точки фазового перехода.

Среди таких аномалий аномалия теплоемкости выделяется как важный источник информации о чувствительности свойств кристаллак малым концентрациям дефектов. Действительно, теплоемкость напрямую связанас величиной энтропии кристалла, которая является основной характеристикой степени нарушения порядка, а значит и степени неоднородности.Экспериментальное определение вклада дефектов в теплоемкость реального кристалла требует знания температурной зависимости теплоемкости совершенного кристалла.

В связи с тем, что в природе не существует сегнетоэлектрическихкристаллов, свободных от фоновых примесей и дефектов роста, определенную информацию можно получить только исходя из реалистической теории фазового перехода — модельной или термодинамической.Теорией, наиболее адекватно описывающей совокупность явлений, наблюдающихся в сегнетоэлектрических кристаллах, является теория фазовых переходовЛ.Д.

Ландау. Сегодняшний уровень развития этой теории позволяет, по крайнеймере принципиально, описать их поведение, и, в частности, определить характераномалий теплоемкости, как в совершенных, так и в реальных кристаллах.В течение последних десятилетий произошел существенный прогресс в области применения теории Ландау к описанию поведения слабо неоднородных кристаллов в окрестности точек различного типа сегнетоэлектрических фазовых переходов.Ситуация в этой области исследований, однако, характеризуется явным недостатком экспериментальных работ, позволяющих судить об адекватности полученных теоретических результатов поведению реальных кристаллов и выяснитьграницы применимости положений, лежащих в основе теории. Даже для единственного подробно исследованного в этом отношении кристалла триглицинсульфата (ТГС) в различных экспериментальных работах предлагаются качественно раз-3личные температурные зависимости теплоемкости в окрестности точки сегнетоэлектрического фазового перехода.Неудовлетворительность такого положения затрудняет не только описаниев рамках теории Ландау критического поведения сегнетоэлектрических материалов,но и выбор наиболее подходящих методов управления их свойствами в широкихдиапазонах значений внешних параметров и концентраций различного типа примесей.

От правильности интерпретации полученных в окрестности фазового переходаданных зависят как дальнейшие направления исследований, так и возможные применения сегнетоэлектрических материалов.Цели и задачи работыОсновной целью настоящей работы является выяснение аналитическойформы аномалий теплоемкости кристаллов, испытывающих различные типы сегнетоэлектрических фазовых переходов.

При этом особое внимание уделяется случаям,при которых прямое сравнение эксперимента с теорией затрудняется либо в силуприсущей исследуемому образцу неоднородности, либо в силу сложности фазовойдиаграммы кристалла и связанной с этим неопределенности его термодинамического пути в окрестности фазового перехода.Возникающие при этом задачи проистекают от целого ряда причин, средикоторых технологические трудности получения кристаллов с контролируемымиконцентрациями дефектов, а также особенности применения теории Ландау к обработке экспериментальных результатов, являются наиболее существенными.Термодинамический потенциал в теории Ландау имеет качественно различный вид в зависимости от типа структурного фазового перехода, определяемогокак природой и симметрией параметра порядка, так и наличием на фазовой диаграмме кристалла линий различных структурных фазовых переходов и особых точек.

Поэтому сравнение эксперимента с теорией требует предварительного отнесения наблюдаемого фазового перехода к определенному типу.Говоря о различных типах фазовых переходов в сегнетоэлектрических кристаллах, следует отметить, что на границе 70-х и 80-х годов прошлого века произошло заметное изменение во взглядах авторов теоретических работ на их классификацию. Однако результаты экспериментальных исследований и сегодня нередкорассматриваются их авторами сквозь призму представлений, изложенных в учебниках того времени, в которых рассмотрена довольно грубая классификация фазовыхпереходов и соответствующих им аномалий теплоемкости.

Такие аномалии теплоемкости мы будем называть «классическими». Напротив, аномалии теплоемкости,которые, на первый взгляд, противоречат предсказываемому теорией Ландау поведению, но могут быть получены в ее рамках при учете некоторых дополнительныхпредположений о свойствах реального кристалла, таких, например, как созданноепримесями неоднородное смещающее поле, мы будем называть «неклассическими».Также к неклассическим зависимостям теплоемкости мы относим широкообсуждаемые в современной литературе о свойствах сегнетоэлектрических кристаллов «закритические» аномалии теплоемкости, наблюдаемые внутри полярнойфазы некоторых кристаллов, которые, по мнению ряда авторов, могут быть описаны4в рамках теории Ландау при более детальном анализе фазовых диаграмм этих кристаллов.Применение теории Ландау к анализу экспериментальных данных обычноосложняется тем, что термодинамический потенциал Ландау содержит зависящийот температуры член Φ0, определение которого в рамках самой этой теории непредставляется возможным.В связи с этим, обработку экспериментальных данных приходится проводить в два этапа, результатом первого из которых должна быть оценка значений Φ0или соответствующих им значений измеренной величины, такой, например, как решеточная теплоемкость.

На втором этапе возможно сравнение предсказаний теориис экспериментом.На первом из этих этапов иногда допускают ошибку, выбирая теплоемкость, соответствующую Φ0, из соображений, не согласованных с основными положениями теории Ландау. В этой теории кристалл рассматривается как сплошнаясреда, и поэтому его фононный спектр строится по тем же принципам, что и в теории Дебая, т.е.

обрезается на некотором значении волнового вектора |k|max. Температурная зависимость теплоемкости при этом соответствует теплоемкости квантовогогармонического кристалла в предельных случаях низких и высоких температур.Однако некоторые авторы выбирают в качестве кривых фоновой теплоемкостифункции, не согласованные с современным расчетом теплоемкости квантового гармонического кристалла. Полученные на этом пути результаты часто свидетельствуют в пользу неприменимости теории Ландау к исследованному таким образомкристаллическому образцу.Основные задачи настоящей работы определялись с учетом известногофакта, что влияние малых концентраций дефектов существенно проявляется в физических свойствах кристалла, когда точка фазового перехода близка к некоторойособой точке на его фазовой диаграмме.

Такими особыми точками могут быть, например, трикритическая точка, электрическая критическая точка или точка пересечения любых двух линий фазовых переходов на фазовой диаграмме кристалла.В настоящем исследовании мы остановили свой выбор на таких типах сегнетоэлектрических фазовых переходов, литературные данные о которых свидетельствовали о наличии определенных противоречий либо неясностей причин, по которым отдельные результаты, касающиеся этих фазовых переходов, не укладываютсяв теорию Ландау.Объекты и методы исследованияИсходя из выше сказанного, в качестве объектов исследования были выбраны:1.