Рефракційні властивості кристалів сульфатів і селенатів в області фазових переходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Рефракційні властивості кристалів сульфатів і селенатів в області фазових переходів

Мищишин Орест Якович

1. Загальна характеристика роботи

сегнетоелектричний кристал анізотропія

Актуальність теми. Дослідження сегнетоелектриків дотепер є фундаментальним напрямом фізики, пов'язаним з вивченням природи структурних фазових переходів у твердому тілі. З точки зору мікроскопічних механізмів фазових переходів у кристалах важливим є вивчення особливостей електронної підсистеми, яка формує хімічний зв'язок між атомами та електрон-фононну взаємодію і визначає основні фізичні властивості кристалів. Хоча відомо, що електронна підсистема сегнетоелектричного кристала безпосередньо не вносить значного вкладу у величину спонтанної поляризації, однак саме від її особливостей залежить виникнення структурної нестабільності і наступний фазовий перехід. Рефракційні характеристики кристалів діелектриків в області їх прозорості, зокрема показники заломлення, несуть основну інформацію про їх електронну підсистему, а інтерференційні методи дають змогу реєструвати тонкі зміни при фазових переходах, що й визначило напрям досліджень у даній роботі.

Об'єктами дослідження були кристали тригліцинсульфату (ТГС), (CH2NH2COOH)3ЧH2SO4, і диметиламонійалюмінійсульфату (ДМААС), (CH3)2NH2Al(SO4)2Ч6H2O, що характеризуються тільки параелектричними і сегнетоелектричними фазами, та кристали амонія гідроселенату (АГС), NH4HSeO4, і калія селенату (КС), K2SeO4, у яких наявні ще й несумірні фази. Незважаючи на вже відомий емпіричний матеріал про оптичні та електрофізичні властивості цих кристалів, поведінка їх електронних підсистем в області фазових переходів досліджена ще недостатньо. Зокрема, відсутні систематичні дослідження, що грунтуються на ретельному порівнянні температурних залежностей оптичних та електрофізичних параметрів цих кристалів. У попередніх дослідженнях оптичних властивостей сегнетоелектриків вже висловлювалась думка про можливість дещо різних температурних залежностей параметрів різних підсистем кристала в області фазового переходу. Розвиткові цієї ідеї присвячені дослідження рефракційних властивостей перелічених вище об'єктів у температурних областях структурних фазових переходів у даній роботі.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з держбюджетними фундаментальними дослідженнями, які ведуться в лабораторії кристалооптики кафедри експериментальної фізики Львівського державного університету імені Івана Франка за проектом Міністерства освіти України "Аномальна оптична анізотропія в діелектричних та напівпровідникових кристалах" (№ д.р. 0197V018121, тема Фе-284 Б).

Мета та основні завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи були порівняльні дослідження характеру температурних залежностей (температурної кітики) оптичних, діелектричних і дилатометричних параметрів низки сегнетоелектричних кристалів в області фазових переходів. Досягнення цієї мети вимагало вирішення наступних основних завдань:

1.Монтаж інтерферометричної установки для прецизійних вимірювань температурної залежності оптичної різниці ходу променів за показником заломлення кристала та розробка методики розділення температурних залежностей показника заломлення і товщини зразка.

2.Дослідження температурної кінетики оптичної різниці ходу променів за показником заломлення кристалів в областях сегнетоелектричних фазових переходів та переходів у несумірну фазу.

3.Дослідження електрооптичних властивостей кристалів в температурній області сегнетоелектричного фазового переходу.

4.Дослідження температурної кінетики лінійного розширення сегнетоелектричних кристалів в області фазових переходів методом високоточної дилатометрії.

5.Дослідження особливостей температурної залежності діелектричної проникності кристалів в області несумірної фази.

Наукова новизна одержаних результатів:

запропонована ідея та реалізована оптико-інтерферометрична методика вимірювання температурних залежностей показника заломлення та геометричної товщини прозорих плоскопаралельних зразків в одному температурному експерименті;

запропонована ідея та реалізована оптико-інтерферометрична методика визначення температурних залежностей показника заломлення та геометричної товщини низькосиметричних кристалів на основі вимірювання температурних змін оптичної різниці ходу променів у різних геометріях кристалооптичного експерименту;

виявлено, що характеристичні показники степеневих температурних залежностей квадрата спонтанної поляризації, показників заломлення та відносного лінійного видовження в області сегнетоелектричних фазових переходів кристалів ТГС та ДМААС не співпадають, що свідчить про різні швидкості температурних змін відповідних процесів у цих кристалах;

показано, що коефіцієнти квадратичного електрооптичного ефекту та електрострикції кристалів ТГС і ДМААС зменшуються при наближенні до температури Тс сегнетоелектричного фазового переходу, що свідчить про різні швидкості зміни спонтанної поляризації та підсистем кристала, що визначають температурну поведінку показників заломлення та лінійного видовження;

на прикладі кристалів ТГС і ДМААС вперше показано, що при температурі Тс сегнетоелектричного фазового переходу має місце відносне зменшення середнього за поляризаціями світла показника заломлення, що свідчить про відносне послаблення ефективних хімічних зв'язків;

на прикладі кристалів ТГС і ДМААС вперше показано, що при температурі Тс сегнетоелектричного фазового переходу має місце відносне зменшення коефіцієнтів анізотропії показника заломлення і лінійного розширення, що може свідчити про відносну аморфізацію кристалічної структури;

виявлено характеристичну періодичність температурної залежності діелектричної проникності кристала АГС в області несумірної фази, яка свідчить про слабкострибкоподібну (квазінеперервну) температурну залежність хвильового вектора кристала.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

у розробці оптико-інтерферометричної методики вимірювання температурних змін показника заломлення та геометричної товщини прозорих плоскопаралельних зразків в одному експерименті;

у розробці оптико-інтерферометричної методики визначення температурних змін показника заломлення та геометричної товщини низькосиметричних кристалів на основі вимірювання температурних змін оптичної різниці ходу променів;

в обгрунтуванні висновку про можливість різних показників степеневих температурних залежностей характеристичних параметрів різних підсистем кристала при сегнетоелектричному фазовому переході 2-го роду;

у введенні коефіцієнтів анізотропії показника заломлення і лінійного термічного розширення кристала та використанні їх для дослідження структурних фазових переходів;

у застосуванні результатів вимірювань температурних залежностей діелектричної проникності e(Т) для дослідження поведінки хвильового вектора кристала у несумірній фазі.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі, з'ясування напрямів дисертаційної роботи та обговорення результатів досліджень виконані разом з науковим керівником, професором кафедри експериментальної фізики Львівського державного університету імені Івана Франка, доктором фіз.-мат. наук Б.В.Андрієвським. В обговоренні результатів досліджень брав участь професор кафедри експериментальної фізики цього ж вузу, доктор фіз.-мат. наук М.О.Романюк. У процесі виконання дисертаційної роботи здобувач зібрав інтерферометричну установку для вимірювання індукованих змін оптичних різниць ходу за показником заломлення, підготував кристали для досліджень, одержав експериментальні результати, виконав їх комп'ютерну обробку, інтерпретацію та зробив висновки. У публікаціях із співавторами внесок здобувача еквівалентний відповідній частці від кількості авторів.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

І польсько-українському симпозіумі з фізики сегнетоелектриків і споріднених матеріалів (Кудова Здруй, Польща, 1996 р.);

ІV українсько-польському симпозіумі з фізики сегнетоелектриків і споріднених матеріалів (Дніпропетровськ, Україна, 1998 р.);

науковому семінарі із статистичної теорії конденсованих систем (Львів, 1997 р.);

регіональній науковій конференції Закарпатського відділення фонду підримки науки (Ужгород, 1998 р.);

семінарі INTAS-UKRAINE з фізики конденсованих сиситем (Львів, 1998 р.);

першій українській школі-семінарі з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (Львів, 1999 р.);

щорічних звітних наукових конференціях фізичного факультету ЛДУ імені Івана Франка (Львів, 1996-1999 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 наукових праць, серед яких 7 статей у профільних наукових журналах і 8 тез доповідей у збірниках наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох основних розділів, висновків та переліку літературних джерел. Робота містить 148 сторінок друкованого тексту, 68 рисунків, 10 таблиць та перелік літературних джерел із 141 найменування. Загальний обсяг дисертації - 156 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі подано короткий виклад феноменологічного опису структурних фазових переходів 1-го та 2-го родів у кристалах, в тому числі з несумірною фазою, та літературний огляд фізичних властивостей об'єктів дослідження.

Представлено дані про температурну поведінку при фазовому переході фізичних параметрів кристала ТГС, як представника власних сегнетоелектриків, та кристала КС, як сегнетоелектрика з несумірною фазою. Зокрема, проаналізовано температурну залежність спонтанної поляризації Ps, як параметра порядку h в кристалі ТГС. Показано, що в перших експериментальних дослідженнях [1], де виявлено залежність параметра порядку від температури типу h ~ (Tc - T)b, b ” 0,5, теорія Ландау добре підтверджувалася. Однак, у подальших експериментальних роботах [2] степеневий показник b виявився меншим ніж 0,5 (0,38), що суперечило термодинамічній теорії і свідчило про нелінійність температурної залежності квадрата спонтанної поляризації від температури, особливо відчутну в області фазового переходу. Ці суперечливі літературні дані про температурну поведінку параметра порядку, який визначає зміну рефракційних і дилатометричних характеристик кристала ТГС, спонукали провести у дисертаційній роботі відповідні температурні дослідження оптико-інтерференційних та дилатометричних характеристик.

Додатковою причиною вибору кристалів ТГС як об'єкта дослідження стала низка відомих з літератури температурно-рефрактометричних досліджень із неозначеною дилатометричною складовою.

Відзначено, що для кристалів КС із несумірною фазою відсутні літературні дані про температурну залежність показника заломлення n(T), а результати температурних досліджень двопроменезаломлення Dn(T) неоднозначні, зокрема з точки зору характеристичного степеневого показника b.

Для інших двох об'єктів дослідження, кристалів ДМААС та АГС, також відсутні дані про температурні залежності показників заломлення n(T), хоча відповідні вимірювання двопроменезаломлення Dn(T) проводилися, однак без чіткого розділення експериментально вимірюваної оптичної різниці ходу D = DnЧl на рефракційну (Dn) і дилатометричну (l) частини та без визначення характеристичного показника b відповідних степеневих температурних залежностей.

Відмічено, що для усіх об'єктів дослідження дисертаційної роботи відсутні узагальнення температурних залежностей рефрактометричних властивостей кристалів щодо поведінки відповідних електронних підсистем в області переходів у сегнетоелектричну та несумірну фази. Детально не досліджені також особливості температурних залежностей складових комплексної діелектричної проникності кристалів АГС у несумірній фазі.

У другому розділі викладено методики досліджень фазових переходів у кристалах, які застосовувалися в роботі.

Детально представлені оригінальні оптико-інтерферометричні методики дослідження температурних залежностей оптичних та дилатометричних параметрів кристалів. В роботі вперше запропоновано дві методики одержання температурних залежностей відносних змін показників заломлення dn/(n - 1) та товщини dl/l прозорих плоскопаралельних зразків на основі інтерферометричних вимірювань відповідних відносних змін оптичної різниці ходу променів dD/D. Методики реалізовані на модифікованому інтерферометрі типу Жамена.

З використанням запропонованих методик досліджувалися зразки порівняно великих розмірів у напрямі просвічування (до 14 мм), що дало змогу забезпечити відносну точність вимірювання характеристичних величин dD/D, dn/(n - 1) та dl/l на рівні 10-4.

Методика одночасного визначення відносних темепературних змін dn/(n - 1) та dl/l базується на вимірюванні температурних залежностей відносних змін dD/D для двох інтерференційних полів. Одне таке поле формується двома інтерферуючими променями, один з яких проходить через кристал, а інший - ідентичним шляхом поза кристалом. У такій геометрії експерименту температурні зміни оптичної різниці ходу dD1 визначаються за співвідношенням

dD1 = d(lЧ (n - 1)) , (1)

де l - товщина кристала у напрямі проходження променя, n - показник заломлення для відповідної поляризації променя. Інше інтерференційне поле утворюється на основі двох променів, один з яких відбився від фронтальної грані кристала, а інший - від тильної. Зміна оптичної різниці ходу цих променів визначається за співвідношенням

dD2 = d(2lЧ n) . (2)

На основі співвідношень (1) та (2) одержуємо вирази для відповідних температурних змін товщини зразка і показника заломлення:

dl = (dD2 - 2D1)/2, (3)

dn = (dD2 - 2nЧ dl)/2l . (4)

Запропонована методика дає змогу визначати одночасно температурні залежності показника заломлення і товщини плоскопаралельного зразка.

Друга методика одержання температурних залежностей показника заломлення та товщини зразків базується тільки на дослідженні інтерференційного поля, утвореного двома інтерферуючими променями, один з яких проходить через кристал, а інший - ідентичним геометричним шляхом поза кристалом. Ця методика застосовується для дослідження низькосиметричних кристалів. Послідовно просвічуючи кристал лінійно-поляризованим світлом у трьох взаємноперпендикулярних кристалофізичних напрямах, для кожного з них у двох взаємноперпендикулярних напрямах поляризації світла, та вимірюючи відповідні температурні зміни оптичної різниці ходу dDij/Dij, можна визначити температурні зміни його розмірів dli/li та показників заломлення dnj/(nj - 1), розв'язавши систему шести лінійних рівнянь із застосуванням методу найменших квадратів:

(i,j = 1,2,3; і № j) . (5)

Окремим підрозділом в роботі подано опис методики вимірювання температурних залежностей лінійних розмірів зразків та методики дослідження їх температурної і частотної залежностей комплексної діелектричної проникності.

У третьому розділі представлені результати дослідження фазових переходів у сегнетоелектричних кристалах ТГС та ДМААС і проведено порівняння температурних залежностей їх рефракційних і дилатометричних характеристик в районі відповідних фазових переходів.

На основі представлення спонтанних температурних приростів товщини dls/l та показника заломлення dns/(n - 1) в області фазового переходу ТГС (T < Tc) як наслідку електрострикції та квадратичного електрооптичного ефекту,

dls/l ~ Ps2 ~ (Tс - T)2b , (6)

dns/(n - 1) ~ Ps2 ~ (Tс - T)2b , (7)

вперше розраховані відповідні степеневі показники 2b, які характеризують швидкість температурних змін відповідних параметрів кристала при віддаленні від температури Tс в сегнетоелектричній фазі. Ці значення 2b, що характеризують кристал в інтервалі 49-39 °С, виявилися відмінними від одиниці і відрізняються між собою в межах (0,87-0,95) (див. таблицю 1) (за даними перших досліджень температурної залежності спонтанної поляризації Ps ~ (Tс - T)b [1] критичний індекс дорівнював b = 0,5 з точністю до 10-2).

Таблиця 1. Степеневі показники 2b, що характеризують температурні залежності спонтанних приростів dDs/D, dls/l та dns/(n - 1) для різних кристалофізичних напрямів ТГС

В роботі досліджено також температурні залежності приростів оптичної різниці ходу в кристалі ТГС, індукованих електричним полем напруженістю 3,5 кВ/см. З'ясовано, що в широкій області навколо температури Tc сегнетоелектричного фазового переходу в кристалі ТГС електрооптичні коефіцієнти, коефіцієнти оберненого п'єзоелектричного ефекту та електрострикції, розраховані на постійне значення вектора електричної індукції в кристалі, не залежать від температури. У порівняно вузькій області Tc ± 2 К спостерігається аномальне зменшення цих коефіцієнтів і досягнення їх мінімального значення при температурі Tc. Це свідчить про існування у ТГС досить великої температурної області (Tc ± 2 К) суттєвих проявів нелінійних властивостей кристала щодо впливу зовнішніх фізичних полів.

В роботі введений кількісний коефіцієнт An-1 для характеристики ступеня анізотропії змінної частини показника заломлення кристала, (n - 1), який відображає анізотропію його електронної підсистеми:

(8)

Тут індекси i та j змінюються за циклічним правилом: i = 1®2®3; j = 2®3®1. Коефіцієнт An-1 дорівнює нулеві у випадку ізотропних матеріалів та високосиметричних кристалів кубічної сингонії. Розрахована за формулою (8) температурна залежність анізотропії An-1(Т) показника заломлення кристала ТГС характеризується особливістю при температурі Tc у вигляді тенденції до мінімума (мінімума похідної dAn-1/dT). Цю залежність можна представити як накладання двох температурних залежностей. Одна з них, монотонна, може бути пов'язана з монотонною зміною параметрів кристалічної гратки без аномалії при Тс, а друга, з мінімумом при Тс, відображає екстремумоподібну зміну властивостей кристала при фазовому переході.

Помітне зменшення коефіцієнта анізотропії An-1 в районі Tc свідчить про екстремумоподібне наближення системи хімічних зв'язків кристала до ізотропного стану і може бути інтерпретовано як відносна аморфізація кристала при його наближенні до температури фазового переходу. Аналогічний коефіцієнт Aa введений для кількісної оцінки ступеня анізотропії коефіцієнта термічного лінійного розширення кристала:

(9)

При температурі фазового переходу Tc спостерігається мінімум на залежності Aa(T), подібно до тенденції мінімума на аналогічній залежності An-1(Т) , який також можна пов'язувати з відносною амофізацією кристала при фазовому переході.

За результатами дилатометричних вимірювань температурних залежностей спонтанного видовження dlsi/li (i = 1,2,3) кристала ДМААС в області фазового переходу (Тс ” 147 К) значення відповідного степеневого показника 2b2(l) для (Tc - T) Ј 0,1 К дорівнює одиниці, 2b2(l) = 1,0, що відповідає лінійній залежності dl2s/l2 від (Tc - T). Однак, в інтервалі (Tc - T) Ј 4 К величина 2b2(l) зменшується зі збільшенням (Tc - T) і для (Tc - T) = 4 К 2b2(l) = 0,5. Використовуючи результати дослідження температурної залежності спонтанної поляризації Ps(T) кристалів ДМААС [2] і отримані нами температурні залежності відносних видовжень dlsi/li(T), ми обчислили температурні залежності коефіцієнтів електрострикції gі(T), розраховані на постійне значення вектора спонтанної поляризації в кристалі, і виявили їх зменшення при наближенні до точки фазового переходу Tс. Це свідчить про те, що квадрат спонтанної поляризації Ps2, як параметра порядку, поблизу температури Tс зростає швидше, ніж відносне видовження dlsi/lі. При віддаленні від точки фазового переходу Tс швидкості зміни dls1/l1 та Ps2 наближаються одна до одної.

Температурна залежність коефіцієнта анізотропії An-1 для кристала ДМААС характеризується глибоким мінімумом при температурі фазового переходу Tc. Подібно до кристала ТГС таке зменшення цього коефіцієнта може спричинятися відносною аморфізацією кристала ДМААС при наближенні до температури фазового переходу. Для кристала ДМААС така аморфізація, очевидно, проявляється значно сильніше, ніж для кристала ТГС. Запропоноване пояснення мінімума на температурній залежності коефіцієнта An-1 кристала ДМААС за рахунок відносної аморфізації кристала узгоджується з поясненням мінімума на відповідній температурній залежності середнього показника заломлення цього кристала за рахунок послаблення в цілому хімічних зв'язків.

Подібно до аналізу експериментальних результатів кристала ТГС, для аналізу температурної кінетики анізотропії коефіцієнта лінійного розширення a кристалів ДМААС використано коефіцієнт Aa. Виявлено, що анізотропія термічного розширення ДМААС характеризується набагато більшим параметром Aa, ніж параметр An-1 анізотропії змінної частини показника заломлення. Подібно до кристалів ТГС, у кристалі ДМААС при температурі фазового переходу Tc теж спостерігається мінімум на залежності Aa(T), який узгоджується з мінімумом на аналогічній залежності параметра анізотропії показника заломлення An-1(Т). Очевидно, що мінімум залежності Aa(T) можна також пов'язувати з відносною амофізацією кристала ДМААС при фазовому переході.

У четвертому розділі наведені результати дослідження сегнетоелектричних кристалів з несумірною фазою, КС та АГС, зокрема, температурні залежності їх рефракційних характеристик у районі фазових переходів у несумірну (Ті) та сегнетоелектричну (Тс) фази.

Дослідження кристала КС показали, що сегнетоелектричний фазовий перехід при Тc = 93 К майже не виявляється на температурних залежностях оптичної різниці ходу D = lЧ(n - 1). Однак, перехід несумірна-параелектрична фаза в області Тi = 130 К виявляється у вигляді, характерному для неперервних фазових переходів 2-го роду. Таку поведінка оптичної різниці ходу (а також показника заломлення та геометричної товщини) можна пояснити так. У ролі вторинного параметра порядку при переході несумірна - сегнетоелектрична фаза у кристалі КС з'являється однорідна спонтанна поляризація у Х-напрямі. Мікроскопічна спонтанна поляризація існує також і у несумірній фазі, але у вигляді хвилі, яка супроводжує хвилю зміщення. При цьому сумарна спонтанна поляризація макроскопічного зразка дорівнює нулеві. Аномалії температурних залежностей оптичної різниці ходу, показника заломлення та видовження, що виникають при температурі Ті переходу з параелектричної у несумірну фазу, спричинені появою саме спонтанної поляризації на мікроскопічному рівні. Оскільки, при температурі Тс переходу у сегнетоелектричну фазу кристала КС мікроскопічна спонтанна поляризація за абсолютною величиною суттєво не змінюється, то аномалії оптичної різниці ходу, показника заломлення та видовження практично не спостерігаються.

В результаті досліджень кристала АГС виявлено, що характер анізотропії показника заломлення корелює з особливостями його кристалічної будови. Зокрема відомо, що основу структури кристала становлять ізольовані тетраедри SeO4, зшиті водневими зв'язками в ланцюжки вздовж b-осі. Цьому напряму відповідають найкоротші відстані Se-Se. Амонійні іони зв'язують ланцюжки в напрямі осей a та с. Сильніший зв'язок вздовж a-осі (відстань Se-Se в цьому напрямі менша, ніж у напрямі вздовж с-осі), очевидно, спричинений відповідним розміщенням атомів водню NH4-групи, яке дає змогу виділити в структурі шари, паралельні до площини (001) (площина сколюваності). Отже, найбільший показник заломлення nb відповідає найкоротшій відстані Se-Se, а найменший nc - найслабкішим хімічним зв'язкам у напрямі, перпендикулярному до площини сколюваності.

Вимірювання температурних залежностей оптичної різниці ходу за двопроменезаломленням DDn = Dn·l та оптичної різниці ходу за змінною частиною показника заломлення Dn-1 = (n - 1)·l не виявили помітних аномалій в областях відомих фазових переходів при Tc = 250 K та Ti = 262 K. Аналіз термічного лінійного розширення AГС також свідчить про те, що ці аномалії настільки слабкі, що їх важко помітити на температурних залежностях оптичної різниці ходу dD/D. Певні особливості, пов'язані з цим фазовим переходом, виявлено на температурних залежностях похідної d/dT(dD/D), яка має максимальне значення в районі Ті = 262 К та злам при температурі Тс = 250 К. Відсутність аномалій фізичних характеристик кристала АГС при Тс типу фазового переходу 1-го роду пояснюється, як і в кристалі КС, відсутністю аномалії мікроскопічної спонтанної поляризації. При температурі Ti = 262 K фазового переходу 2-го роду АГС не виявлено характерного зламу температурної залежності оптичної різниці ходу D(T) і стрибка температурної залежності відповідної похідної d/dT(D(T)). Одержаний результат узгоджується з порівняно слабкою характерною аномалією термічного розширення при Ti і свідчить про порівняно малі значення коефіцієнтів квадратичного електрооптичного ефекту та електрострикції кристала АГС. У порівнянні з кристалом КС ці коефіцієнти для АГС менші на один порядок величини.

Для повнішого дослідження несумірної фази кристала АГС в роботі виміряно його температурні залежності дійсної та уявної частин діелектричної проникності e'(T) та e''(T) на тридцяти різних частотах в області 200 Гц - 1 МГц. Цікавою особливістю температурних залежностей e'(T) та e''(T) на частоті 1 МГц є їх періодичноподібна поведінка в області температур 265-255 К.На перший погляд, привабливим поясненням цього могла б бути відома у фізиці несумірних фаз модульована солітонна надгратка. Однак, детальніший аналіз показав, що температурні положення цих екстремумів змінюються зі зміною частоти вимірювального електричного поля. Це свідчить про резонансний характер спостережуваної періодичної структури, яку можна трактувати як прояв послідовності резонансів при утворенні стоячих хвиль вздовж товщини зразка l завдяки швидкій температурній зміні модуля пружної жорсткості С кристала у несумірній фазі. Детальний аналіз показав, що на температурних залежностях e'(Т) для різних частот f можна виділити іншу квазіперіодичну структуру, яка стає помітною після їх подвійного диференціювання, (d2(e')/dT2)/e'. Положення екстремумів функції -(d2(e')/dT2)/e' практично не залежать від частоти зовнішнього електричного поля. Описані особливості квазіперіодичної температурної залежності -(d2(e')/dT2)/e' кристала AГС узгоджуються з характерними проявами модульованої солітонної надгратки, які мали місце в інших кристалах з несумірною фазою. Діапазон (Ті - Тс) простежуваної нами несумірної фази можна у зв'язку з цим розділити на приблизно рівні, вузькі області сумірних фаз, розділених власне несумірними субфазами. Період такої структури приблизно дорівнює 0,4 К. Переходи між такими вузькими субфазами супроводжуються порівняно слабкими аномаліями діелектричної проникності e'(Т), які виявляються на температурних залежностях другої похідної d2/dT2(e'(Т)). Очевидно, що величини відповідних максимумів цієї дрібної структури e'(Т) (або Y1(Т) = - d2(e'b)/dT2/(e'b)) пропорційні до змін хвильового вектора dk кристалічної гратки при переходах між субфазами, які, по суті, зумовлюють ці максимуми. З такого припущення випливає, що хвильовий вектор несумірної фази кристала АГС змінюється квазінеперервно. Цей висновок підтверджується результатами рентгеноструктурних досліджень несумірної фази цього кристала [3].

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В результаті виконання дисертаційної роботи розроблено нові методичні підходи експериментального дослідження ферроїків та з'ясовано, що в кристалах ТГС, ДМААС, КС і АГС має місце низка нових проявів сегнетоелектричних фазових переходів 2-го роду та несумірних фаз:

1.Реалізовано методики виділення з експериментальних температурних залежностей оптико-інтерферометричних різниць ходу променів відповідних залежностей показника заломлення та геометричної товщини прозорих плоскопаралельних зразків. Результати застосування цієї методики свідчать про обов'язковість урахування термічного розширення кристалів для коректного визначення температурних залежностей показників заломлення та/чи двопроменезаломлення за даними відповідних оптико-інтерферометричних різниць ходу.

2.В широкій області навколо температури сегнетоелектричного фазового переходу в кристалі ТГС (Tc ± 15 К) за винятком області Tc ± 2 К, електрооптичні коефіцієнти, коефіцієнти оберненого п'єзоелектричного ефекту та електрострикції, розраховані на постійне значення вектора електричної індукції в кристалі, не залежать від температури. При наближенні до температури Tc в області Tc ± 2 К спостерігається зменшення цих коефіцієнтів і досягнення мінімального їх значення при Tc. Це свідчить про відповідне послаблення зв'язку між окремими системами частинок кристала, які формують окремо електричну поляризацію, показник заломлення та його лінійні розміри.

3.Мінімум температурної залежності середнього за кристалофізичними напрямами показника заломлення dn/(n - 1) кристала ТГС при Тс та відносний максимум коефіцієнта об'ємного термічного розширення a(Тс) свідчить про послаблення хімічних зв'язків поблизу температури фазового переходу. Характеристичний мінімум температурних залежностей коефіцієнтів анізотропії An-1(Тс) та Aa(Тс) може спричинятися відносною аморфізацією кристала ТГС поблизу температури фазового переходу.

4.Коефіцієнти електрострикції g (dlsi/li = gЧPs2) кристала ДМААС збільшуються при віддаленні від температури фазового переходу Tc у сегнетоелектричній фазі. Збільшення цих коефіцієнтів свідчить про "відставання" температурної кінетики розширення від температурної кінетики спонтанної поляризації кристала. Останнє виявляється у тому, що показник степеневої температурної залежності квадрата спонтанної поляризації 2b(Ps) менший, ніж показник відповідної залежності відносного термічного видовження 2b(l).

5.Виразний мінімум температурної залежності відносних змін середнього показника заломлення dn/(n - 1) = S(dni/(ni - 1))/3 при Tc пов'язується з послабленням в цілому хімічних зв'язків у кристалі ДМААС при фазовому переході. Виразні мінімуми температурних залежностей при Tc коефіцієнтів анізотропії показника заломлення An-1 та термічного лінійного розширення Aa, пов'язані з відносною аморфізацією кристала ДМААС при наближенні до точки фазового переходу. Більша виразність цих мінімумів у кристалі ДМААС, ніж у кристалі ТГС, пояснюється більшою наближеністю кристала ДМААС до трикритичної точки, ніж кристала ТГС.

6.Аномалії температурних залежностей оптичної різниці ходу, показника заломлення та видовження при температурах Ті переходу з параелектричної у несумірну фазу кристалів КС та АГС спричинені появою мікроскопічно модульованої спонтанної поляризації при Т < Ті (макроскопічна спонтанна поляризація в області Ті - Тс дорівнює нулеві). Відсутність аномалій цих величин при Тс спричинена відсутністю значних змін мікроскопічної спонтанної поляризації.

7.На основі прецизійних експериментальних вимірювань вперше зареєстровано слабку періодичноподібну температурну залежність діелектричної проникності в області несумірної фази кристала АГС, характерну для проявів модульованої солітонної надгратки. З аналізу цієї залежності випливає, що хвильовий вектор кристала AГС у несумірній фазі змінюється з температурою майже монотонно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Б.В. Андрієвський, М.О. Романюк, О.Я. Мищишин. Про визначення температурних змін товщини і показника заломлення матеріалу в оптико-фізичному експерименті // Вісник ЛДУ, серія фізична.- 1995.- № 27.- С. 130-134.

2.B.Andriyevsky, O.Myshchyshyn, M.Romanyuk. Interferometric investigation of phase transition in TGS crystal // Physica Status Solidi (b).- 1997.- V. 203, No 2.- P. 549-555.

3.B. Andriyevsky, O. Myshchyshyn. Optical and dilatometric manifestation of phase transitions in K2SeO4 crystal // Acta Physica Polonica A.- 1997.- V. 92, No 3.- P. 557-562.

4.Б. Андрієвський, О. Мищишин, М. Романюк, В.Курляк. Оптичні властивості кристала ТГС в області фазового переходу // Український фізичний журнал.- 1997.- Т. 42, № 11.- С. 1393-1397.

5.B. Andriyevsky, Z. Czapla, O. Myshchyshyn. Optical properties and phase transitions in NH4HSeO4 crystals // Physica Status Solidi (a).- 1998.- V. 165, No 2.- P. 495-502.

6.Б.В. Андриевский, О.Я. Мыщишин, В.Ю. Курляк, Н.Н. Романюк Особенности оптико-физических параметров кристалла ТГС при фазовом переходе // Кристаллография.- 1999.- Т.44, № 3.- С. 516-520.

7.B. Andriyevsky, O. Myshchyshyn, Z. Czapla, and S. Dacko. Manifestation of incommensurate phase in the dielectric properties of NH4HSeO4 Crystals // Physica Status Solidi (b).-1999.-V.214, No 2.-P.471-478.

8.B. Andriyevsky, O. Myshchyshyn, M. Romanyuk. Interferometric investigation of phase transition in TGS crystal //Abstracts of 3rd Polish-Ukrainian and 22nd East Europian School on Ferrroelectrics and Related Materials, Kudowa-Wroclaw, 16-20 September 1996, P. P40.

9.B. Andriyevsky, O. Myshchyshyn, Z. Czapla. Optical and dilatometric manifestation of phase transition in K2SeO4 crystal //Abstracts of 3rd Polish-Ukrainian and 22nd East Europian School on Ferrroelectrics and Related Materials, Kudowa-Wroclaw, 16-20 September 1996, P. P15.

10.Б.В. Андрієвський, О.Я. Мищишин, М.О. Романюк. Особливості температурних залежностей рефрактометричних та дилатометричних параметрів кристалів ТГС в сегнетоелектричній фазі.- Тези накового семінару з статистичної теорії конденсованих систем, Львів, 14-15 березня 1997 р., С. 141.

11.О.Я. Мищишин, Б.В. Андрієвський, І.С. Гірник. Оптичні та дилатометричні прояви фазових переходів в кристалах NH4HSeO4 // Регіональна наукова конференція Закарпатського відділення фонду підримки науки, 23 січня 1998 р., Ужгород, С. 72.

12.O. Myshchyshyn, B. Andriyevsky, M. Romanyuk. Critical indices of the ferroelectric phase transition in TGS crystals // Abstracts of the INTAS-UKRAINE Workshop on Condensed Matter Physic, Lviv, 21-24 May 1998, P. 53.

13.B. Andriyevsky, O. Myshchyshyn, M. Romanyuk. Anisotropy of crytical indices of ferroelectric phase transition in TGS crystals by the optical interference measurements // Abstracts of the 4th Ukrainian-Polish Meeting on Phase Transitions and Ferroelectric Physics, Dniepropetrovsk, 15-19 June 1998, P. 19

14.B. Andriyevsky, Z. Czapla, S. Dacko, O. Myshchyshyn. Optical and electrical manifestation of incommensurate phase in NH4HSeO4 crystals // Abstracts of the 4th Ukrainian-Polish Meeting on Phase Transitions and Ferroelectric Physics, Dniepropetrovsk, 15-19 June 1998, P. 70.

Размещено на Allbest.ru