Фотоакустическая диагностика твердых тел - поли- и монокристаллов, страница 3

Регистрация осуществлялась термоэлектрическим ифотоакустическим способами.Сравнение результатов проведенных измерений с литературнымиданными, полученными другими методами, позволяют сделать вывод отом, что разработанная экспрессная фотоакустическая методикаопределения температуропроводности металлов имеет хорошуюточность и может использоваться для исследования тепловых свойствметаллов, в том числе и в технических приложениях.12Таблица 1.

Значения температуропроводности χ некоторыхметаллов: а) и б) полученные фототермическим методом ирассчитанные с помощью числа Фурье ихарактеристическойчастоты fc соответственно, в) полученные фотоакустическимметодом, г) Физические величины. Справочник. Ред. И.К.Кикоин.

М.:Атомиздат. 1976.МатериалТолщинаТемпературопроводность (см 2 /с)пластины(см)абAl0.0180.9 ± 0.10.85 ± 0.05Al0.0330.79 ± 0.070.82 ± 0.04Al0.0520.91 ± 0.080.82 ± 0.04Ta0.0110.26 ± 0.020.26 ± 0.020.26 ± 0.020.27Zn0.0230.37 ± 0.030.42 ± 0.020.41 ± 0.020.41Zn0.0550.48 ± 0.05--0.41Cu0.0321.0 ± 0.11.07 ± 0.081.05 ± 0.081.05÷1.15Cu0.0651.05 ± 0.08--1.05÷1.15Sn0.0550.45 ± 0.050.48 ± 0.02-0.47÷0.52Mg0.0390.84±0.08-0.84 ± 0.020.84вг0.850.82 ± 0.060.850.85Четвертая глава посвящена разработке фотоакустическогометода измерения относительного изменения параметра Грюнайзена, иисследованию с его помощью температурной зависимости ианизотропии параметра Грюнайзена твердых тел в области фазовыхпереходов.13Параграфы 4.1-4.2 посвящены обзору имеющихся в литературефотоакустических методик исследования фазовых переходов.Отмечается, что потенциал фотоакустического метода в этомнаправлении использован недостаточно, в частности, представляетбольшойинтересисследованиефотоакустическимметодомнелинейного параметра, близкого к параметру Грюнайзена.

ПараметрГрюнайзена γ является одной из важнейших характеристик динамикикристаллической решетки. Он является мерой ангармоничности силмежмолекулярноговзаимодействиявкристалле.Именноангармонизмом колебаний кристаллической решетки определяютсятакие процессы, как тепловое расширение, теплопроводность,поглощение звука.

В изотропном случае параметр Грюнайзенавырождается в скаляр:βB 3αBγ ==,(1)cVcVгде β = 3α - объемный коэффициент теплового расширения, α линейный коэффициент теплового расширения, cV - теплоемкость припостоянном объеме, B - модуль объемной упругости.Измерение нелинейного параметра, близкого к параметруГрюнайзена, может быть произведено фотоакустическим методом[Biswas A. Can J.

Phys. 1986. V.64. № 9. P.1184-1189]. Для двухслойнойсистемы образец-пьезопреобразователь в случае, если толщина образцаl много меньше толщины преобразователя, напряжение на обкладкахпреобразователя U определяется следующей формулой:U≈Pпогл ⎡ αB ⎤⎢⎥.f lρ ⎢⎣ c p ⎥⎦(2)Здесь Pпогл - поглощенная оптическая мощность, f - частотамодуляции интенсивности света, ρ -плотность, c p - теплоемкость припостоянном давлении. Из (1) и (2), считая, что в твердых телахтеплоемкость при постоянном давлении c p приблизительно равнатеплоемкости при постоянном объеме cV , получим:U≈Pпогл⋅γf lρ(3)Из выражения (3) видно, что амплитуда ФА сигналапропорциональна нелинейному параметру, близкому к параметруГрюнайзена. Таким образом, по изменению амплитуды ФА сигнала от14температуры можно получить информацию о температурнойзависимости нелинейного параметра.Ранее ФА метод был использован для определения значенияпараметра Грюнайзена ряда изотропных материалов при комнатнойтемпературе.

В настоящей работе исследуется температурнаязависимость различных компонент параметра Грюнайзена в областифазовых переходов для монокристаллов титаната стронция в областиструктурного фазового перехода, монокристалла триглицинсульфата вобластисегнетоэлектрическогофазовогопереходаиполикристаллического титана в области электронно-топологическогоперехода.В параграфе 4.3 приводится описание разработанногонизкотемпературного фотоакустического аппаратно-программногокомплекса и методики измерений.

Он состоит из полупроводниковоголазера (λ = 1060 нм, мощность 20 мВт), специально разработаннойнизкотемпературной фотоакустической вставки, помещаемой втермостат, синхронного усилителя Stanford SR830 и персональногокомпьютера.Измеренияпроизводилисьпригармоническомвозбуждении и пьезоэлектрической регистрации. Для регистрации трехвзаимно ортогональных компонент смещения поверхности образца(продольной и двух поперечных) использовались два преобразователя:кольцевой с радиальной поляризацией, электроды которого былиразрезаны на сектора (в простейшем случае для двух взаимноперпендикулярных компонент в виде креста), размещаемый сверхуобразца, и преобразователь с продольной поляризацией, размещаемыйснизу.В параграфе 4.4 приведены результаты исследованияфотоакустического эффекта в монокристалле титаната стронция вобласти структурного фазового перехода при 105,5 К из кубическойфазы Oh в тетрагональную D4 h .

Титанат стронция SrTiO3 – хорошоисследованный кристалл, и в литературе можно найти температурныезависимости всех величин, входящих в выражение (2). Поэтому именноон был выбран для отработки методики. На рис.5 представленырезультаты экспериментальных измерений температурной зависимостиамплитуды ФА сигнала для различных направлений и их сравнение сданными, вычисленными по результатам калориметрических,дилатометрических и упругих измерений.Результаты проведенных измерений позволяют сделать вывод отом, что фотоакустический метод определения относительного15изменения нелинейного параметра, реализованный в данной работе,может явиться хорошим дополнением к уже существующим методамисследования ангармонизма кристаллической решетки.1.52.52.01.0Параметр ГрюнайзенаАмплитуда ФА сигнала130.50.02-0.511.51.030.50.02-0.5-1.0-1.095100105110T, K11512095100105110T, K115120(а)(б)Рис.5 а).

Температурная зависимость экспериментальноизмеренных нормированных на единицу взаимно перпендикулярныхсоставляющих ФА сигнала для SrTiO3 : 1 - в направлении [110], 2 - внаправлении [101], 3 - вычисленные значения - в направлении [001].б). Температурная зависимость трех компонент нелинейногопараметра, вычисленных по литературным данным (молярнаятеплоемкость - [Salamon M.B., Garnier P.R. // J. Phys. Chem. 1974.

V.35.№3. Р.851-855], упругие модули второго порядка -[ Rehwald W. // SolidState Com.1970. V.8. № 11. P.1483-1485], тепловое расширение [Willemsen H.W., Armstrong R.L., Meinske P.P.M. // Phys. Rev. B. 1976.V.14. № 8. P. 3644-3648]): 1 - γ [ 110 ] , 2- γ [ 101 ] , 3 - γ [ 001 ] .Претрансформационные эффекты в монокристалле титанатастронция.На экспериментально измеренной температурной зависимостиамплитуды фотоакустического сигнала для различных направлений(рис. 5а) можно видеть расхождение кривых не только ниже, но и вышетемпературы фазового перехода, в области температур 105,5-115К.

Оноявляется достаточно слабым, но, тем не менее, хорошовоспроизводимым. Это расхождение означает, что титанат стронция,который при комнатной температуре принято относить к кубическимкристаллам, выявляет небольшую анизотропию и выше точки перехода.Более тщательное исследование этого явления, иногда называемогопретрансформационным,былопроизведеноспомощью16электроакустического эффекта (ЭАЭ). Электроакустический эффектзаключается во взаимодействии постоянного электрического поля сакустическими волнами (АВ) в твердых телах, в результате которогопроисходит изменение скорости АВ. В общем случае относительноеизменение скорости АВ в твердом теле при приложении электрическогополя определяется выражением:∆c / c = [ e* E + f * E 2 ] / 2 ρc 2(4)где ρ - плотность кристалла, c - скорость АВ, ∆c - изменение скоростиАВ при приложении электрического поля E, e* -эффективныйпьезоэлектрический коэффициент, определяемый компонентамитензоров пьезоэффекта 3 и 5 порядков, f * - эффективный коэффициентэлектрострикции,определяемыйкомпонентамитензоровэлектрострикции 4 и 6 порядков.В пьезоэлектрических кристаллах, в которых отсутствует центрсимметрии, величина электроакустического эффекта определяется восновном коэффициентом e* , и изменение скорости АВ линейно поэлектрическому полю.

В центросимметричных кристаллах, в которыхпьезоэффект отсутствует, наблюдается квадратичная зависимостьскорости от электрического поля, определяемая вторым членом f * вправой части (4).При измерении температурной зависимости скорости продольныхакустических волн частотой 30 МГц от напряженности электрическогополя, начиная с температуры Ta + 7 K вплоть до температуры фазовогоперехода Ta наряду с квадратичным наблюдался линейный поэлектрическому полю вклад в изменение скорости АВ, величинакоторого увеличивалась с понижением температуры (рис.6а).

При этом,начиная с температуры Ta + 1K , вклад электрострикционного члена,квадратичного по электрическому полю, сильно уменьшался (рис.6б).Это указывает на то, что в области температур Ta до Ta + 7 K висследованномобразцетитанатастронцияпроявляетсяпьезоэлектрический эффект и кристаллическая решетка не обладаетцентром симметрии.Таким образом, анизотропия фотоакустического сигнала,выявленная выше температуры фазового перехода, нашла своеподтверждение при исследовании электроакустического эффекта.172-32f (10 Н/В )e (10 2 Н/Вм)0-5**10-1004Т-Ta , К084Т-Ta , К8а)б)Рис.6.Температурнаязависимостьэффективного*пьезоэлектрического коэффициента e (а) и электрострикционногокоэффициента f * (б) для монокристалла SrTiO3 .В параграфе 4.5 приведены результаты исследованийтемпературной зависимости анизотропии трех компонент нелинейногопараметра монокристалла триглицинсульфата (ТГС) в областисегнетоэлектрического перехода TC = 322 K .