Низкочастотное внутреннее трение в кристаллах семейства KH2 PO4 Кравченко, С. А.

Введение к работе

Актуальность темы. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы находят широкое применение во многих областях науки и техники. Это определяется их уникальными свойствами и, в свою очередь, является одним из важнейших стимулов для исследования этих материалов. Разработка новых и улучшение свойств существующих материалов для практических приложений требуют глубокого понимания влияния реальной структуры материала на его физические свойства. Кроме того, ссгнетоэлектрическис материалы эксплуатируются в широком температурном интервале, включающем как сегнето-, так и наразлек-трическую фазы в механических и электрических полях различной амплитуды,и в процессе эксплуатации изменяют свои свойства. 1$ связи с этим для выяснения оптимальных условий эксплуатации необходимы наиболее полные сведения о реальнон структуре и ее перестройке, происходящей под действием различных факторов.~-

Кристаллы семейства дигидрофосфата калия (КН₂Р0₄) являются широко известными и достаточно хорошо изученными сегнстсолектричсскими кристаллами и считаются модельными объектами физики сегнетоэлектриков. Интерес к исследованию физических свойств кристаллов .этого семейства обусловлен их уникальными оптическими и злектрооптическими свойствами, высокой подвижностью доменной структуры и пр. Сегнетозлсктрическис свойсгва кристаллов этого семейства изучены достаточно подробно, тогда как при изучении физических свойств выше точки Кюри исследователями получены достаточно противоречивые экспериментальные результаты о наличии и количестве высокотемпературных фазовых переходов, о типах дефектов и их влиянии на различные физические свойства. Работы, посвященные исследованию низкочастотных упругих и неупругих свойств кристаллов группы дигидрофосфата калия выше сегнетоэлек-трического фазового перехода, практически отсутствуют. В то же время, исследования низкочастотного внутреннего трения, являющегося высокочувствительным мезоскоиическим методом, могут дать такую информацию о динамике различного рода дефектов и их влиянии на свойства исследуемых объектов, которую другими методами подучить затруднительно, а иногда и невозможно.

Таким образом, исследование низкочастотного внутреннего трения в кристаллах семейства КН2РО4 является актуальной физической проблемой.

Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного тсхниче-

2 ского университета по госбюджетной теме НИР № ГБ 96.23 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники" и гранту РФФИ № 94-02-06591.

Цель работы. Ц данной работе была поставлена цель экспериментально исследовать ннфраннзкочастотную механическую релаксацию в кристаллах КН₂Р0₄ (KDP), KD₂P0₄ (ІЖПР) н CsH₂As0₄ (CDA), выявить особенности и общие закономерности поведения упругих и неунругих свойств исследуемых монокристаллов в широком диапазоне темпсраіур, в частности, в пароэлектрической фазе, при различных внешних воздействиях и дать объяснение полученным результатам.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Исследоватъ и сравнить между собой температурные зависимости упру
гих, и неупругих свойств кристаллов KDPJJKDP и CDA в широком диапазоне
температур при различных внешних воздействиях.

2. Установить наличие возможных высокотемпературных (выше точки
' Кюри) структурных фазовых переходов.

1. Исследовать механизмы инфранизкочастогного внутреннего трения при структурных фазовых переходах и аномалий, связанных с движением дефектов во внешних механических полях.

2. Изучить процессы взаимодействия дислокаций с точечными дефектами, приводящие к механической нелинейности в изученных кристаллах.

3. Исследовать температурную эволюцию угла спонтанного закручивания образца в окрестности температур структурных фазовых переходов и оценить возникающую спонтанную деформацию.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны кристаллы KI1₂P0₄, KD₂P0₄ и CsH₂AsO<, которые являются представителями группы дигидрофосфата калия. Они имеют различные длины водородных связей, принадлежат к фосфатной (KDP и DKDP) и арсенатной (CDA) группам, обладают различной подвижностью доменных границ, разной степенью близости к трикритической точке и др. Выбор указанных кристаллов обусловлен тем, что они являются модельными объектами физики сегнетоэдектриков и находят широкое практическое применение, но их инфраннзкочастотмые упругие и неупругие свойства в паразлекгрической фазе изучены недостаточно полно.

Научная новизна , Основные результаты экспериментальных исследований кристаллов семейства К.Н2РО4 выше точки Кюри получены автором впервые и заключаются а следующем:

1. Установлена зависимость параметров пика внутреннего трения в облас-
- ти -20-J-35 С от скорости изменения температуры и частоты, обусловленная

зародышеобразованием и динамикой межфазных границ.

2. Обнаружен эффект спонтанного возникновения крутильного момента сил, связанного со сдвиговой компонентом деформации, возникающей при структурных фазовых переходах.

3. Изучен процесс долговременной релаксации упругих и неупругих свойств в окрестности температуры 20^35 С, связанный с термически активированным движением фазовых границ, лимитируемым точечными дефектами.

4. Установлено влияние предыстории образцов и амплитуды деформации на аномальное поведение низкочастотных упругих и неупругих свойств в интервале температур 70-И 20 С и предложена интерпретация механизма релаксации.

5. Получено доказательство существования высокотемпературного суперпротонного фазового перехода в монокристалле CDA при температура до термического разложения.

Практическая значимость. Установленные в работе зависимости и закономерности могут найти применение в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями реальной структуры и физических свойств сегне-тоэнектриков, сегнетоэластиков и других ферроичных материалов, свойства которых зависят от состояния и динамики дефектов (дислокаций, доменных и межфазных границ, точечных дефектов).

Обнаруженная в экспериментах высокая чувствительность параметров пиков внутреннего трения к наличию и особенностям состояния включений другой фазы и плотности дислокаций может быть использована для контроля качества кристаллов KDP, предназначенных для применения в злектрооптических устройствах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментальное доказательство наличия структурного фазового перехода 1-го рода во включениях в окрестности -20-:-35 С.

2. Установление механизма низкочастотного внутреннего трения в области сегнегоэластического фазового перехода в окрестности -20 -^35 С.

3. Эффект спонтанної о закручивания образца в области сдвиговых сегнс-тоэластических фазовых переходов.

4. Установление дислокационной природы пика внутреннего трения в области температур 70-5-120 С.

5. Совокупность экспериментальных данных о связи механической нелинейности с особенностями динамики дислокаций.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, европейских, всероссийских и других конференциях, в том числе на 8 Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (Неймеген, Нидерланды. 1995 г.), 14 Всероссийской конференции по физике сег-нетоэлектриков (Иваново, 1995 г. ), Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1995 г.), 7 Международном семинаре по физике сегнетоэлекфиков -полупроводников (Ростов-на-Дону, 1996 г.), 4 Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996 г.), 7 Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Казань, Татарстан, 1997 г.), 9 Международной конференции "Взаимодействие дефектов и нсупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997 г.)

Публикации . Основные результаты исследований опубликованы в 11 работах в виде статей и тезисов докладов/ список которых приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты получены лично автором. Определение направления исследования, формулировка задач работы, обсуждение экспериментальных результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научным руководителем проф. С.А. Гридневым.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 119 наименований, содержит 125 страниц машинописного текста, 39 рисунков и 1 таблицу.