Введение к работе
Актуальность теки Физика сегнетовлектриков и родственных материалов является одни.! из самых перспективных и бистро развивающихся разделов современной физики твердого тела. С одной стороны, это определяется фундаментальным характером физических' проблем, решаемых при исследовании сегнетовлектриков, а с другой - постоянно растущим практическим применением сегнетоэлектрических материалов в различных устройствах радиотехники, оптоэлектроники, акустики и т.п.
До недавнего времени основной акцент при исследовании сегнетовлектриков был направлен на изучение физических свойств идеальных бездефектных материалов, в которых изучаемое явление не осложнено проявлением особенностей, связанных с неидеальностью кристаллической структуры. Однако, известно, что для ферроичных материалов, к которым относятся и сегнетоелектрики, дефекты кристаллической структуры оказывают значительное, а зачастую и определяющее влияние на их физические свойства (электрические, акустические, оптические и другие.). Поэтому закономерно, что з настоящее время одной из наиболее актуальных проблем в физике сегнетовлектричества является проблема изучения влияния особенностей реальной структуры на физические свойства сегнетовлектриков. При решении втой проблемы было установлено, что сегнетоелектрические доменные границы могут взаимодействовать с подвижными дефектами кристалла, причем такое взаимодействие проявляется в аномальном поведении различных структурночувствительных (в том числе и диэлектрических) свойств кристаллов как вдали, так и в окрестности температуры фазового перехода.
В частности, при выведении системы, образованной сегне-тоелектрическкми доменными границами и взаимодействующими с ними точечными дефектами, из состояния равновесия, начинается релаксация системы к новому положению равновесия, причем конкретный физический механизм релаксации зависит как от способа выведения релаксирукщей системы из состояния равновесия, так и от особенностей процессов взаимодействия мекду доменными границами и точечными дефектами. Систематические исследования влияния способов выведения системы из состояния равновесия на закономерности диэлектрической релаксации в сегнетоэлектрических кристаллах до настоящего времени не проводились, хо-
тя такие исследования, несомненно, могут дать ценную информацию о динамике доменных границ и о процессах взаимодействия сегнетовлектрических границ с подвижными дефектами кристалла.
Таким образом, исследование особенностей релаксационных процессов в сегнетоэлектриках при различных способах выведения релаксатора "доменные границы - подвижные дефекты" из по-локения равновесия является актуальной физической проблемой. Настоящая работа выполнялась по Координационному плану РАН в области естественных наук по направлению 1.3. "Физика твердого тела" (раздел 1.3.10. - физика сегнетоелектриков и диэлектриков) и является частью'комплексных исследований, проводимых на кафедре физики Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме " Физические процессы, обусловленные взаимодействием различных типов дефектов кристаллической структуры" - код темы по ГАСНТИ: 29.19.11; 29-19.95, Г/Б 10/95.
Цель и задачи работы Целью настоящей работы являлась идентификация процессов диэлектрической релаксации, обусловленной динамикой доменных границ в монокристаллических сегнетоелектриках триглицшсульфате, сегнетовой соли и -дигидрофосфате калия при различных способах выведения системы "доменные границы - точечные дефекты" из состояния равновесия.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следукхцие основные задачи:
-выбор соответствующих способов выведения исследуемой релаксирунцей системы "доменные границы - точечные дефекты" из положения равновесия, приводящих к реализации различных релаксационных процессов;
-выделение и исследование релаксационных процессэв в модельных сегнетоелектриках, связанных с перестройкой доменной структуры и закреплением доменных границ подвижными точечными дефектами и определение времен релаксации втих процессов;
-изучение температурных зависимостей времен релаксации выделенных релаксационных процессов и установление связи особенностей температурного поведения времен релаксацж.1 с состоянием доменной структуры;
-исследование влияния процессов тормокения доменных границ подвижными дефектами при переполяризации кристалла по петле сегнетовлектрического гистерезиса на динамику доменкой
структуры;
-построение качественных физических моделей процессов релаксации доменной структуры, взаимодействующей с подвижными дефектами кристалла.
Для решения поставленных задач был использован метод диэлектрической спектроскопии, позволяющий исследовать температурные, полевые и временные зависимости диэлектрической проницаемости и метод Сойера-Тауера, дающий ценную информацию о процессах' переполяризации сегнєї'овлектриков.
Объекты исследования В качестве основного объекта исследования был выбран монокристалл триглицинсульфата (KH2CH2C00H)3-H2S0, (ТГС), одноосного сегнетоелектрика с фазовым переходом второго рода при температуре 322 К. Выбор втого материала обусловлен тем обстоятельством, что он имеет достаточно подЕихную доменную структуру. Это позволяет, во-первых, целенаправленно изменять состояние доменной структуры внешним воздействием и, во-вторых, исследовать особенности физических свойств, связанные с наличием доменных границ. Существенно, что' температура сегнетовлектрического фазового перехода триглицинсульфата находится в температурном диапазоне, удобным для экспериментальных исследований. Креме того, кристалл ТГС является модельным сегнетоелектриком и одним из наиболее изученных в настоящее время материалов, что облегчает интерпретацию и анализ полученных результатов.. Исходя из ;3адзч исследования я ряде экспериментов были таккз использованы монокристаллы сегнетовой соли , КаКС НО -4Н О, одноосного сегнетоелектрика-сегнетовластика с двумя точками Кюри при температурах.255 К и 297 К, и монокристаллы дигидро-фосфата калия КН2Р04 , одноосного сегнетовлектрика-сегнето-властика с температурой Кюри, находящейся в низкотемпературной области, Тс - 123 К.
Научная новизна
-
На одном объекте исследования изучены и идентифицированы релаксационные процессы, обусловленные движением доменных границ и перераспределением дефектов кристаллической решетки при различных способах выведения границ из равновесия.
-
Показано, что вдали температуры фазового перехода процесс перераспределения дефектов в силовом поле доменных границ определяется термоактпЕируемым движением дефектов. Вблизи тем-
пературы фазового перехода наблюдается конкуренция двух факторов, которые определяют качественно противоположили температурный характер времени релаксации. В окрестности точки Ki-jpa происходит резкое уменьшение силы взаимодействия доменных границ с дефектами кристалла, что приводит к резкому увеличению значений'времени релаксации процесса закрепления доменных границ дефектами. Значения времени релаксации процесса, связанного с дзих'.экием доменных границ в исходное положение рзьноье- сия обращаются в нуль при тем~ературе фазового перехода.
3. Экспериментально установлено уменьшений значений равновесного коэрцитивного поля в кристалле II'С при увеличении частоти внешнего электрического поля в интервале частот 0.5;5 кГц, обусловленное инерционностью подвижных дефектов, взаимодействующих с доменными границами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Идентификация релаксационных процессов в системе "до
менные границы - подвижные дефекты" при различных способах
выведения системы из состояния равновесия:
-процесса, обусловленного переводом доменных границ в по- < локенке равновесия;
-процесса, связанного с закреплением доменных границ год-Бпхгщ.'.ц: дефектам! .
-
Интерпретация минимума вблизи точки Кюри на температурной зависимости "времени релаксации процесса закрепления. доменных границ дефектами кристалла как результата существования двух конкурирующих процессов - роста подвихаюсти закреплявших дефектов при повышении температуры и уменьшением силы взаимодействия между доменными . границами и подзікашми-дефектами при 'приближении к температуре фазового превращения.
-
Установление связи аномального поведения температурных зависимостей времен релаксации диэлектрической проницаемости при 303 К с процессом спонтанной перестройки доменной структуры в кристалле ТГС.
-
Эффект уменьшения величины равновесного коерцитивного поля с увеличением частоты переполяризующего поля при переполяризации кристалла ТГС по петле сегнетоелектрического гистерезиса в интервале 5004-5000 Гц. .
Практическая значимость работы состоит в том, что поникание физических процессов, происходящих в реальных сегнето-
електриках - необходимая предпосылка для создания материалов с заданными свойствами с целью использования их в различных устройствах и приборах.
Установленные в диссертации физические закономерности и зависимости могут найти применение в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиям;! реальной структуры сег-нетоэлектриков и других ферроичных материалов, свойства которых зависят от . состояния и дина лжи доменной структуры (ИК РАН, г. Москва, ОТИ РАН, г. Санкт-Петербург, МГУ, г. Москва, ЕГУ, г. Веронек и др.).
Апробация работы Основные результаты диссертации докла-давалісь на 10 Международных, Европейских, Всесоюзных и других конференциях; на XIII конференции по физике сегнетоэлект-риков (Тверь, 1992 г.), школах-семинарах "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеже, 1993 и 1995 гг.), Ь Международном семинаре по физике сегнетоэлектрш^ов-полупроводникоз (Ростов-на-Дону, 19.93 г.), 8 Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Мэриленд, США, 1993 г.), 3 Мекдународ-_ ном симпозиуме по доменной структуре сегнетоелектриков и родственных материалов (Закопане, Польша, 1994 г.), Ь Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 1994 г.), 3 Украинско-польской и восточно-европейской школе по сегнетоэлектричеству и фазовым переходам (Ужгород, 1994г.), 8 Европейской конференцій по сегнетоэлектричеству (Неймеген, Нидерланды, 1995 г.), XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоелектриков (Иваново, 1995г.).
Публикации Основные результаты исследований опубликованы в 14 работах I 1-14 ].
Личный вклад автора Все экспериментальные результаты получены лично автором. Часть результатов, включенных в диссертацию получена совместно с к.ф.-м.н. Горбатенко В.В., являющимся соазтором ряда научных трудов. Обсуждение результатов, построение физических моделей проходило с участием научного руководителя.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 150 страницах мапинописного текста, иллюстрирована 50 рисунками. Библиографический раздел включает 123 наименований.
