Введение к работе
Актуальность темы. В последние года в физике твердого тела произошло смещение интересов от объектов с идеальной кристаллической решеткой к частично или полностью неупорядоченным материалам. Это связано с тем, что в настоящее время физика упорядоченных систем в значительной мере уже разработана, тогда как физика неупорядоченных конденсированных материалов находится еще в начале своего развития.
Круг неупорядоченных конденсированных материалов весьма широк. Это органические и неорганические стекла, где полностью отсутствует дальний порядок в расположении атомов, магнитные спиновые стекла, в которых беспорядок возникает в ансамбле локальных магнитных моментов, тогда как базисная решетка может сохранять почти идеальный порядок, а также многие другие системы.. В числе их гораздо менее известны диэлектрические аналоги спиновых стекол - дапольные стекла. К последним, в частности, относятся протонные стекла (ПС), реализующиеся в твердых растворах сегнетоелектрика (СЭ)-анти-сегнетоелектрика (АСЗ) кристаллов семейства дигидрофосфата калия. В настоящее время ети неупорядоченные материалы вызывают заметный интерес исследователей.
Впервые состояние ПС было обнаружено в смешанных кристаллах Rbix{Ш4)хНгР04 Куртенсом в 1982 году, и с тех пор основные исследования 'были выполнены на кристаллах втой системы. Лишь недавно начато изучение ПС, реализующихся в других родственных системах относительно ПС в твердых растворах дигидрофосфата калия-аммония. В литературе к началу данной работы имелись лишь немногочисленные сведения об отдельных фрагментах их . х-Т фазовой диаграмм)! и еще меньше информации о динамике перехода в невргодическое состояние. Было не изучено, также, как и для кристаллов других систем, влияние состава (х) и электрического смещающего поля на особенности замораживания протонного стекла.
Поетому изучение протонных стекол на примере системы ^і-х^4^А*Ч было BSCbUa актуальным и важным не только для
более глубокого понимания природы и псі: ідєния протонных стекол и их обіцности о другиш: клаосами неуі орядоченных материалов, но y. для создана і общей картины переходов в невргодя-ческое состояние. '
Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета в соответствии с К ординационным.планом РАН в области естественна лаук по-направлению 1.3. - Физика твердого тела, раздел 1.3.10. - Физика сегнетоелектриков и диэлектриков і по плану госбюджетной НИР Ю01.91.0066.1821. "Синтеь, структура, и физические свойства новых матералт влектрошюй техники", і-йіолняємой кафедрой ОТТ ВГТУ.
Цель работы. Основжй целью работы явилось проведение в' области низких темпера^; експериментальних иси-ідований поляризационных и диэлектрических свойств,,а также особенностей переходов в сегнеті'влектрическув, ан-жзегнетоелектрі-чес-кук ф1зы и в состояние протонного стекла смешанных кристаллов сютеш К, (NH,) Н,РОл .
І-Х ' 4'х 2 4 0
В соответствии о целью были поставлены следующие задачи: разработать измерите;ьную установку, /озволяю. ув
ПРОВОДИТЬ ИЗУЧЄНГ.Є ДИЭЛеКТрИЧеСКИХ И ПОЛЯрИЗаЦИОНШХ JBOflCTB
криста-лоь в диапазоне частот lO'VlO1* Гц в интервале
температур 7-гЗОО К, прздусматривакщую возі экность подачи на
образец внеш. его смещающего поля; _ .
исследовать температурные ьзшеимости диэлектрической проницаемости и поляризации смешанных кристаллов Ki-x (1 )х*У4 » на основаши анализа которых построить х-Т фазовуи диаграмму данной ел' семи;
. ксперименталь^о из чить динамику заморакиваш:я соо-то»;шз ПС и іілияниі на fe особенности электрического смещающего uojf и концентрации х;
., вксперимзитгльно исследоіать спектры, времен релаксации при переходе в состояние ПС и влияние- на" них температуры, состава и электрического смещащего поля;
установить основные характерные черты поведения диэ-лектр ічских и под іризационшх свойств СЭ кристаллов с кон-
центрациями х, близкими к граничным, в окрестности температур соответствующих фазових переходов.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования была выбрана система твердых растворов монокристаллов дигид-рофосфата калия и дигидрофосфата аммония, изоморфных в пара-електрической фазе и претерпевающих при низких температурах соответственно сегнетовлектрический и антисегнетоэлектричес-кий Фазовые переходя. Основными причинами, обуслоЕивпкыи такой выбор явились: а) малая изученность смешанных кристаллов даїтой системы, в то время как чистые (исходные) компоненты исследованы достаточно глубоко и являются модельными кристаллами; б) необходимость в новых експериментальних данных для обобщений и создания последовательной теории етого класса неупорядоченных материалов; в) возможность получения кристаллов больших размеров и хорошего качества во всем интервале концентраций х от 0 до 1.
Для подробного изучения х-Т фазовой диаграммы были использованы кристаллы с содержанием аммония х а 0, 0.04; 0.05; 0.09; 0.12; 0.17; 0.19; 0.24; 0.32; 0.67; 0.75 и 0.80. Из них последние четыре состава, а также состав с х=Ю.19 впервые изучались в настоящей работе.
Все кристаллы были выражены P.M. Оедосюк в лаборатории фазовых переходов Института кристаллографии им. А.В. Шубнико-ва Академии наук СССР.
Научная новизна: В работе впервые:
изучены диэлектрические и поляризационные свойства исследовавшихся смешанных кристаллов в области низких температур;
для системы К (NH ) Н Р04 определены интервалы концентраций, в пределах которых реализуются переходи в СЗ и АСЭ фази или в состояние ПС;
установлено наличие размытой концентрационной границы между СЭ фазой и состоянием ПС;
показано, что переход в состояние ПС в кристаллах с концентрацией х а 0.24, 0.32 и 0.67 является динамическим, а температура заморагашанкя электрических моментов для частот Ю'Чю" Гц хорошо описывается эмпирическим соотношением о-геля-фулчера;
обнаружено, что для данных кристаллов диэлектрическая релаксация в состоянии ПС характеризуется размытым спектром времен релаксации, расширяющимся с понижением температуры;
обнаружено относительное ускорение темпа замораживания электрических моментов при переходе в состояние ПС в исследованных кристаллах с повышением в них концентрации х, что объясняется ослаблением вффекта туннелирования протонов вдоль водородных 0-Н-0 связей в составах с большим содержанием аммония;
для кристалла с х к 0.24 выявлено сужение спектра времен релаксации диэлектрической проницаемости под действием смещающего электрического поля в окрестностях температуры перехода в состояние ПС, связанное с увеличением вклада СЭ флуктуации в диэлектрическую проницаемость;
получены доказательства сосуществования ПЭ и СЗ фаз в окрестностях и ниже температуры СЭ фазового перехода в кристаллах с концентрацией х, близкой к граничной;
установлено существование в окрестностях температуры СЭ фазового переходааномального термического гистерезиса диэлектрической проницаемости, обусловленного наличием Системы препятствий для движения межфазных границ.
Практическая значимость. Построенная х-Т фазовая диаграмма системы смешанных кристаллов К _к (NH4 )„Н2Р04 позволяет определить фазовые состояния втих кристаллов в полном интервале концентраций х. Это, а также установленные в работе физические механизмы, зависимости и закономерности будут полезны для лабораторий и научных центров, занимающихся исследованием неупорядоченных и слабоупорядоченных систем.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Наличие области сосуществования СЭ и ПЭ состояний в окрестностях температуры СЭ фазового перехода для кристаллов с концентрацией аммония, близкой к граничной.
-
Расширение спектра времен релаксации диэлектрической проницаемости с понижением температуры при переходе в состояние ПС.
-
Ускорение темпа замораживания электрических моментов при переходе в состояние ПС с увеличением содержания антисег-
нетоэлектрической компоненти в исследуемых кристаллах.
4. Существование аномального термического гистерезиса в окрестностях температуры СЭ фазового перехода, обусловленного движением межфазных границ через систему препятствий.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 24 конференциях и семинарах, в том числе на 1 Советско-Польском симпозиуме по физике оегнетоэлектриков (Львов, 1990 г.), Весенней школе по сегнетоелектричеству (г. Галле, ГДР, 1990 г.), V Всесоюзной школе-семинаре по физике сегнетоеластиков (г. Ужгород, 1991 г.), VII Европейской конференции по сегнетоелектричеству (г. Дижон, Оранция, 1991 г.), II СНГ-США семинаре по сегнетоелектричеству (г. С.-Петербург, 1992 г.), Международной школе-семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (г. Воронеж, 1993 г.), VIII Международной конференции по сегнетоелектричеству (г. Мериленд, США, 1993 г.), Международном семинаре по суперпротонным, проводникам (г. Дубна, 1993 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы в виде статей и тезисов докладов, из которых в диссертации использовано 11 работ.
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты получены лично автором. Определение направления исследования, формулировка задач работы, обсуждение результатов экспериментов и подготовка работ к печати осуществлялась совместно с научными руководителлями проф. Гридневым С.А. и проф. Шуваловым Л.А. Соавторы публикаций Оедосюк P.M. и Рогова СП. осуществляли выращивание кристаллов, принимали участие в приготовлении и аттестации образцов, а так же в подготовке статей к опубликованию в печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 124 страницы текста, включая АЬ рисунков и библиографию из 122 наименований.
