Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время широко обсуждается вопрос о двумерном сегнетоэлектричестве в пленках из сополимера винилиден фторида с трифторэтиленом (ПВДФЯрФЭ), приготовленных методом Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) [1]. Интерес к данным системам обусловлен несколькими обстоятельствами. Во-первых, впервые стал обсуждаться вопрос о собственном двумерном сегнетоэлектричестве. До сих пор сегнетоэлекгрические свойства в нескольких мономолекулярньгх слоях детально исследовались лишь в свободно подвешенных пленках смектических жидких кристаллов. В последнем случае сегнето-электричество обязано смектической киральной С* фазе и, таким образом, не является собственным, а возникает благодаря наклону киральных молекул в отдельных смектических слоях. В случае ПВДФЛГрФЭ параметром порядка сегнетоэлектрического фазового перехода является электрическая поляризация. Именно ее вклад в свободную энергию является определяющим для возникновения сегаетоэлектрического состояния. Понятно, что при устранении одного из пространственных направлений (переход к двумерному мономолекулярному слою), вклад спонтанной поляризации в свободную энергию может сильно измениться. В силу последнего обстоятельства возникал вопрос о самой возможности существования собственного сегнетоэлектричества в двумерных системах. Получение сегнсто-электрических пленок ЛБ и их первые исследования позволили положительно ответить на последний вопрос [2]. Экспериментальные результаты доказывают существование сегнетоэлектрического состояния вплоть до толщин, равных десяткам ангстрем. Во-вторых, в пленках ЛБ из ПВДФ/ТрФЭ (70/30) наблюдается поверхностный фазовый переход. В
отличие от объемного фазового перехода, наблюдаемого при Tsll5 С, этот переход происходит при комнатной температуре ~20 С. Наиболее интересные его особенности, изученные методами прямой и обратной фотоэмиссии, состоят в том, что он сопровождается ярко выраженными изменениями кристаллической и электронной структуры пленок, а именно, наблюдается одноосное удвоение поверхностной зоны Бриллюэна.
Наконец, отдельную значимость имеет возможность практического использования сверхтонких сегнетоэлектрических пленок в электронных устройствах. Благодаря малой толщине переключающие напряжения могут быть снижены в сотни раз (от сотен и тысяч вольт, характерных для объемных образцов, до единиц вольт).
Цель работы. Несмотря на интенсивные исследования свойств сегнетоэлектрических пленок ЛБ самыми разнообразными методами, в литературе пока отсутствует количественный анализ данных по их диэлектрическим свойствам. Эта работа является первой попыткой количественного исследования диэлектрических свойств сегнетоэлектрических пленок ЛБ. Целью являлось изучение низкочастотных диэлектрических и электрооптических свойств пленок ЛБ толщиной 10 -80 монослоев (5 - 40 им) в области высокотемпературного фазового перехода.
Научная новизна.
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования линейных диэлектрических свойств в мультислоиных сегнетоэлектрических пленках ЛБ. Предложен метод учета приповерхностных
несегнетоэлектрических слоев и сделан анализ результатов в рамках феноменологического подхода Ландау-Гинзбурга.
2. Создана новая разновидность нелинейной диэлектрической
спектроскопии, основанная на одновременной регистрации пяти фурье
компонент токового отклика на синусоидальное напряжение.
-
Исследования фазового перехода в пленках ЛБ новым методом нелинейной диэлектрической спектроскопии подтвердили применимость подхода Ландау-Гинзбурга к количественному описанию фазового перехода в пленках ЛБ. Измерены все коэффициенты в- модели Ландау Гинзбурга, свидетельствующие о первом роде фазового перехода и о том, что исследуемые пленки относятся к сегнетоэлектрикам типа порядок-беспорядок (постоянная Кюри равна 2000 К).
-
Изучены спектральные особенности электрооптического эффекта в гетерогенных сегнетоэлектрических пленках, состоящих из двух подсистем: мультислоя сегнетоэлектрика и мультислоя красителя.
-
Установлено, что наблюдаемый . электрооптический эффект в двухкомпонентной сегнетоэлектрической системе вне полосы поглощения красителя обусловлен электрооптическим эффектом Поккельса и обратным пьезоэлектрическим эффектом, при этом эффект Поккельса является определяющим. Определено соответствующее значение электроптического коэффициента Поккельса Ps34 юл/В.
-
Исследовано температурное поведение спектров электрооптического эффекта Поккельса. Показано, что данный эффект отражает не только аномалию диэлектрической проницаемости и поляризации в области фазового перехода, но и изменение межслойного расстояния в сегнетоэлектрических пленках ЛБ сополимера ВДФ/ТрФЭ, обусловленное переходом молекул из транс конформации ТТТТ в транс-гош конформацию TGTG.
Практическая значимость работы.
Результаты работы могут быть использованы при создании пьезоэлектрических преобразователей энергии, модуляторов света, энергонезависимых элементов памяти на основе сверхтонких сегнетоэлекгрических пленок из сополимера винилиден фторида с трифторэтиленом состава 70:30.
J Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Экспериментальные и теоретические результаты исследования линейных диэлектрических свойств полимерных сегнетоэлектрических пленок.
-
Метод нелинейной диэлектрической спектроскопии для исследования фазовых переходов и измерения коэффициентов Ландау.
-
Экспериментальные и теоретические результаты исследования нелинейных диэлектрических свойств сегнетоэлектрических пленок сополимера ВДФЯРФЭ состава 70:30.
-
Экспериментальные результаты исследования электрооптических свойств в двухкомпонентных сегнетоэлектрических пленках, включающих как сегнетоэлектрическую мультислоиную систему, так и мультислоиную подсистему красителя.
Личный вклад автора включает выполнение экспериментальных исследований, участие в постановке задач и интерпретации экспериментальных данных.
Апробация работы.
Результаты работы были представлены на Международной конференции в Потсдаме (European Conference Thin Organized Films, 1998, Potsdam, Germany), Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков г. Ростов-на-Дону, 14-18 сентября 1999 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 4 работы (список приведен в конце автореферата).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, и общих выводов. Работа изложена на 103 страницах, включает 32 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 68 наименований.
