Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на то, что сегнетоэлектрические кристаллы изучаются уже более восьмидесяти лет, актуальность этих исследований не только не снизилась, но в последние годы значительно возросла. В настоящее время физика сегнетоэлектриков и сегнетомагнетиков является одним из ведущих разделов физики твердого тела. Это связано с фундаментальным характером физических идей, возникающих при изучении сегнетоэлектричества и магнетизма, многогранностью и общностью проблем и путей их решения, а также с быстрорастущим практическим применением этих материалов в наиболее перспективных областях техники: радио-, опто- и акустоэлектронике, нелинейной оптике, квантовой электронике, в системах обработки и хранения информации и т.д. Практическое использование этих кристаллов связано с тем, что основными физическими величинами сегнетоэлектриков можно управлять с помощью внешнего электрического поля, а для сегнетомагнетиков существует возможность управления намагниченностью – электрическим полем, а электрической поляризацией – магнитным полем. В поле внешних воздействий сегнетоэлектрики и сегнетомагнетики перестраиваются, переходя в новое равновесное состояние. Этот процесс характеризуется важными диссипативными величинами – внутренним трением Q-1 и коэффициентом акустического поглощения a. В работах А.А.Родионова, Н.М. Игнатенко, А.Л. Желанова, А.В. Шпилевой, А.А. Родионовой и др. на основе макроскопического подхода , распространенного на сегнетоэлектрические поли- и монодоменные кристаллы, проведены расчеты вышеперечисленных, а также других величин в области линейного отклика. Однако какого-либо систематического аналитического и экспериментального изучения влияния динамики доменных границ и процессов вращений векторов поляризации на релаксационные свойства сегнетоэлектрических керамик в широком диапазоне амплитуд упругоэлектрических полей с учетом взаимосвязи процессов смещений и вращений не проводилось.
Целью работы являлось теоретическое описание на основе модельных представлений гистерезисных и релаксационных явлений в сегнетоэлектриках и перовскитовых сегнетомагнетиках в полях различных внешних воздействий. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие
задачи:
1. Провести теоретическое описание гистерезисного внутреннего трения в сегнетоэлектриках типа смещения на примере титаната бария на основе стохастической теории выбросов случайных процессов.
2. Выполнить теоретические расчеты внутреннего трения для сегнетоэлектриков другого типа – порядок-беспорядок в области линейного и нелинейного отклика на примере сегнетовой соли.
3. Количественно описать аномалии упругих модулей сегнетокристаллов в амплитуднозависимой области.
4. Провести аналогичные расчеты для сегнетокристаллов, находящихся одновременно в регулярных полях и в полях быстрых случайных осцилляций.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Для полидоменных сегнетокристаллов типа BaTiO3 в квазистатическом приближении внутреннее трение, связанное с гистерезисом в смещении доменных границ за счёт взаимодействия их с дефектами кристаллов, аппроксимируется стационарным случайным процессом с нормальным распределением его ординат и производных, а также нулевым средним. Полученные результаты коррелируют с экспериментальными данными для BaTiO3.
2. Амплитудная и полевая зависимости гистерезисного внутреннего трения в сегнетомагнетиках связаны с взаимодействием магнитоупругого, упругоэлектрического и магнитоэлектрического гистерезисного смещений 90-градусных доменных границ и обнаруживают по одному максимуму.
3. Обобщение стохастической теории, описывающей гистерезис внутреннего трения и DЕ-эффект, на случай, когда распределение дефектов, закрепляющих доменные границы вдоль нормалей к ним имеют гауссовский характер, а в перепендикулярных к ним плоскостях – обычный стохастический.
4. Соотношения для сегнетовой соли с исходным вектором спонтанной поляризации [100], содержащей c- и b-домены, описывающие дисперсию поглощения упругоэлектрической энергии, скорость сдвиговой волны напряжений, коэффициент её акустического поглощения и динамический DG-эффект во взаимосвязи со структурными постоянными сегнетокристалла, изменение во времени вектора поляризации, связанное со смещениями 180 доменных границ после наложения постоянного упругого воздействия или электрического поля, коррелирующее с экспериментальными данными.
5. Относительное изменение внутреннего трения, связанное со смещениями доменных границ сегнетокристалла, находящегося в поле быстрых случайных осцилляций f c характерной частотой w, налагаемых на низкочастотные периодические колебания F(W), кроме зависимости его от отношения средней квадратичной силы существенно изменяется с усилением неравенства во взаимосвязи со структурными параметрами сегнетоэлектрика, как и динамические модули Юнга и сдвига.
Научная новизна результатов исследования определяется следующим:
1. Для модельного описания гистерезисных явлений в сегнетоэлектриках предложен и реализован метод теории выбросов случайных процессов для учета взаимодействия доменных границ с дефектами кристаллов.
2. Макроскопический подход распространен на описание диссипативных процессов и сопутствующих им аномалий упругих свойств в сегнетоэлектриках и перовскитовых сегнетомагнетиках в области нелинейного отклика.
3. Проведено количественное модельное описание гистерезисных и пере-
ориентационных явлений, связанных со смещениями 180 доменных границ в сегнетовой соли в области линейного и нелинейного отклика.
4. Предложено теоретическое описание внутреннего трения, динамических модулей Юнга и сдвига для сегнетоэлектриков в полях быстрых случайных осцилляций, оказывающих заметное влияние на эти процессы.
5. На основе стохастического подхода произведено модельное описание петель упругоэлектрического гистерезиса и DЕ-эффекта в перовскитовых сегнетокристаллах, установлены границы применимости этого подхода.
6. Установлена связь параметров теории случайных процессов с величинами, которые можно измерять, необходимыми для определения состояния исследуемых сегнетокристаллов.
Достоверность полученных результатов базируется на том, что проведенные исследования, алгоритмы расчетов, предложенные в работе и выводы, следующие из них, коррелируют как с имеющимися экспериментальными данными разных авторов, полученными на исследуемых системах, так и с исследованиями подобных эффектов в ферромагнетиках, для которых наблюдается кроме качественного и количественное согласие теории с экспериментальными данными. Достоверность представленных в работе результатов следует и из апробированности использовавшихся в ней методов традиционного теоретического описания на основе термодинамики и электродинамики сплошных сред, а также из надежности данных по структурным константам изучаемых систем.
Теоретическая и практическая значимость. Представленные в работе результаты открывают новые возможности целенаправленного поиска способов управления уровнем диссипативных потерь в сегнетоэлектриках и перовскитовых сегнетомагнетиках, связанных с процессами вращений и смещений, со структурой их упругих, электрических и магнитных подсистем с учетом их взаимосвязи. Использование разработанной теории для расчета основных акусто-диссипативных параметров исследуемых систем, характеризующих процесс генерации в них упругих волн, позволит находить оптимальные режимы работы электрострикторов, магнитострикторов и сегнетомагнитострикторов в реальных элементах узлов различных виброустройств. По отсутствию генерируемых акустических сигналов, например, или их экстремальным значениям можно определить ориентировку кристалла и пр. Установленные в работе аналитические взаимосвязи рассмотренных величин с параметрами исследуемых систем и внешнего воздействия, как и акусто-диссипативных параметров с ними, в принципе позволяют по совокупности их экспериментальных значений зондировать структуру такихсистем и, наоборот, на основе параметров ее характеризующих производить целенаправленный поиск оптимальных условий их использования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные положения, отраженные в диссертационной работе, соответствует формуле и пунктам 1,5 паспорта специальности 01.04.07–физика конденсированного состояния.
Апробация работы. Результаты отдельных этапов исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 24 – 27 сентября 2007); IV Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 26 – 28 октября 2007) – 2 доклада; XV Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии – 2008» (Курск, 27 – 29 мая 2008); Мiжнародна науково-практична конференцiя «Структурна релаксацiя у твердих тiлах» (ICSRS–3) (Винница, 19 – 21 мая 2009); XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 28 июня – 4 июля 2009); VI (2 доклада) и VII Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 27 – 28 ноября 2009; 26 – 27 ноября 2010).
Личный вклад соискателя. Автором работы получены основные результаты и научные положения, выносимые на защиту, проведен анализ выявленных закономерностей, реализованы предложенные алгоритмы расчетов, сделаны заключающие выводы и подготовлены материалы к опубликованию.
Публикации. Материалы, представленные в диссертации, опубликованы в 17 работах, из которых 3 – тезисы докладов, 14 – научные статьи, в список ВАК входят три.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включает 17 рисунков, перечень использованной литературы, состоящий из 163 наименований. Первая глава обзорная. Во второй главе представлено модельное описаниегистерезисного внутреннего трения в перовскитовых магнитоэлектроупорядоченных системах. В третьей главе описаны особенности гистерезисного внутреннего трения в сегнетоэлектриках типа порядок-беспорядок, в том числе связанные со смещениями 180 доменных границ, рассмотрена релаксация переполяризации в них в постоянных полях. Четвертая глава посвящена количественному описанию влияния случайных внешних воздействий на гистерезисные явления в сегнетокристаллах, а также в области линейного отклика.
Работа выполнена в области естественных наук по физике твердого тела по направлению 1.3.5.2. в Курском государственном техническом университете на кафедре теоретической и экспериментальной физики в соответствии с Перечнем приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденным президиумом РАН (раздел 1.2. «Физика конденсированных состояний вещества», в том числе раздел 1.2.6. «Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры»).
