Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время непрерывно возрастает интерес к исследованиям физических свойств сегнетоэлектрических твердых растворов со структурой перовскита (которые могут обладать размытыми фазовыми переходами) в окрестности точки Кюри и вдали от нее в сегнетоэлектрической фазе. Это связано как с актуальностью для фундаментальной физики твердого тела, т.е. для создания теории реальных сегнетоэлектриков, так и с возможностью существенного улучшения их важных рабочих характеристик на основе управления реальной структурой материалов, а также для решения принципиально новых технических задач.
До недавнего времени основной акцент при исследовании сегнетоэлектриков был направлен на изучение физических свойств идеальных бездефектных материалов. Однако известно, что дефекты кристаллической структуры оказывают значительное, а порой и определяющее влияние на их различные свойства (электрические, акустические, оптические и др.). Надежно установлено, что сегнетоэлектрические доменные границы могут взаимодействовать с подвижными дефектами кристалла, причем такое взаимодействие проявляется в аномальном поведении различных структурно-чувствительных свойств материалов.
Одними из надежньк и чувствительных методов изучения физических свойств реальных сегнетоэлектриков, в значительной мере определяющихся взаимодействием различных дефектов с кристаллической решеткой, являются методы исследования диэлектрических характеристик и низкочастотного внутреннего трения. Данные методы исследования могут дать ценнейшую информацию о состоянии и динамике доменной структуры, которую можно использовать для создания теории размытых фазовых переходов. Несмотря на большое число публикаций в настоящее время нет единой точки зрения на процессы, происходящие в сегнетоэлектрических твердых растворах со структурой перовскита в окрестности точки Кюри.
Таким образом, исследование динамики доменных границ и релаксационных явлений в сегнетоэлектриках со структурой перовскита является актуальной физической проблемой.
Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ 96.23 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники" и по фанту РФФИ № 94-02-06591.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование особенностей проявления динамики доменных границ в диэлектрических и механических свойствах сегнетоэлектрическнх твердых растворов структуры перовскита, в которых степень размытия сегнетоэлектриче-ского фазового перехода изменяется в широких пределах.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие основные задачи:
-
На основе диэлектрических исследований изучить закономерности размытия фазового перехода при изменении содержания компонент твердого раствора.
-
Изучить термический гистерезис диэлектрических характеристик в окрестности фазового перехода при циклировании температуры.
-
Исследовать долговременную релаксацию метастабильных состояний, возникающих в области размытого фазового перехода.
-
Изучить дисперсию диэлектрических характеристик, обусловленную динамикой доменной структуры, в сегнетоэлектрической фазе при низких температурах.
5.Разработать модель низкочастотной релаксации доменных границ , объясняющую экспериментальные результаты.
Объекты исследования. В качестве объектов исследований были выбраны сегнетокерамические твердые растворы со структурой перовскита xKojBio.sTiCb-Kl-xJPbZrCb , в которых х изменялась от 0 до 1 и Pbo.8iSr0.o4(Nao.5Bio.5)o.i5(Zro.575Tio.425)03 . обладающие размытым фазовым переходом. Выбор указанных объектов обусловлен тем, что в системе твердых растворов xKo.5Bi0.5Ti03+(l-x)PbZr03 имеется возможность изменять характер фазового перехода от точечного до сильно размытого (релаксорного) при изменении К05ВІ03ТЮ3, а состав на основе ЦТС характеризуется очень высокой подвижностью доменной структуры.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований сегнетоэлектрических твердых растворов со структурой перовскита Ko5Bio.5Ti03-PbZr03 и Pbo.8iSroo4(Nao5Bio.5)o.i5(Zro.575Ti04j5)03 получены автором впервые и заключаются в следующем:
-
В бинарной системе xKo.5Bio.5TiOj+(l-x)PbZr03 экспериментально установлено, что характер фазового перехода по мере увеличения концентрации титаната калия-висмута х от 0 до 1 монотонно изменяется от острого до сильно размытого.
-
Обнаружен аномальный термический гистерезис диэлектрических потерь, величина которого при увеличении х коррелирует со степенью размытия фазового перехода лишь до составов с х=0.25. При х>0.25 подобная корреляция отсутствует.
-
Экспериментально доказано, что процессы релаксации неравновесных диэлектрических параметров при изотермической выдержке образца состава с х=0.25 при разных температурах в области аномального термического гистерезиса связаны с динамикой доменных границ.
-
Разработана модель электростатического взаимодействия подвижных 90 -градусных доменных границ с точечными дефектами, которая качественно объясняет полученные экспериментальные результаты.
5. Экспериментально показано, что в сегнетокерамике ЦТС внутреннее
трение при фазовом переходе в основном описывается в рамках флуктуационного
механизма зарождения новой фазы вещества и движения межфазных границ через
систему стопоров.
Практическая значимость. Полученные новые результаты углубляют представления о кинетике размытых фазовых переходов в твердых растворах со структурой перовскита, об общих закономерностях процессов перестройки доменной структуры и механизмах ее взаимодействия с дефектами. Установленные в работе зависимости и закономерности могут найти применения в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями реальной структуры сегнето-электриков, свойства которых зависят от состояния и динамики дефектов.
Развитые в работе представления о взаимодействии доменных границ с точечными дефектами могут быть использованы для разработки новых
сегнетоэлектрических твердых растворов со структурой перовскита, предназначенных для применения в устройствах электронной техники. Осповиые положення, выносимые ва защиту:
1. Обнаружение и объяснение природы аномального термического
гистерезиса диэлектрических потерь при фазовом переходе.
-
Обнаружение и исследование релаксационных пиков диэлектрических потерь tg5 при низких температурах, имеющих доменную природу.
-
Разработка модели релаксационных диэлектрических потерь, обусловленных взаимодействием подвижных 90-ных доменных границ с точечными дефектами.
-
Установление флуктуационного механизма низкочастотного внутреннего трения в области сегнетоэлектрического кубическо-тетрагонального фазового перехода.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 8 Международных и Всероссийских научных конференциях, в том числе на 6 Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 1994г.), 14 Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995г. ), Международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1995г.), 4 Международном симпозиуме по доменам и мезоскопическим структурам (Вена, 1996г.), Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков (Дубна, 1996г.), 5 Международном симпозиуме по доменам и мезоскопическим структурам (Пенсильвания, 1998г.), 2 Международном семинаре по релаксорным сегнетоэлек-трикам (Дубна, 1998г.), 8 Международной конференции по сегнетоэлектрикам-полупроводникам (Ростов-на-Дону, 1998г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 работах в виде статей и тезисов докладов, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты получены лично автором. Определение направления исследований, обсуждение экспериментальных результатов и подготовка работ к печати и докладов на конференции осуществлялась совместно с научным руководителем проф. Гридневым С.А. Также автор использовал данные ренттеноструктурных исследований образцов,
полученные Роговой СП. Низкотемпературные диэлектрические измерения были выполнены в университете им. Мартина-Лютера г. Галле (Германия).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной литературы из 121 наименования. Работа содержит 143 страницы машинописного текста, 46 рисунков и 1 таблицу.
