Введение к работе
Актуальность теми.
Сегнетоэлектрические, сегнетозластичзские, пьезоэлектрические и другие родственные им материалы традиционно находят широкое применение во многих областях современной техники: в вычислительной, информационно - измерительной, в системах связи, элсэтрсзкуспЕсс, гидроакустика, квантовой влектронике, прик"?:оЯ оптике и т.д. В последнее время также сложилось новое прикладное направление, связанное с наличием у ряда кристаллов из этой группы высокотемпературной сверхпроводимости.
Одной из центральных проблем физики твердого тела в настоящее время является исследование неупорядоченных систем. К числу которых, безусловно, относятся реальные кристаллы, то есть кристаллы, содержащие различные дефекты кристаллической решетки: вакансій, примеси внедрешш, заметания, дислокации, грпттттгп; зерен, двойниковые, доменные, мезгфазные границы. Ічхсперим'знтпльно надешю установлено, что многие равнозескке термодинамические, электрические, механические свойства кристаллов, закономерности
Достаточно подробно к настоящему моменту исследовано влияние точечных дефектов на физические свойства кристаллов, на фазовые переходы .< в них, на аномалии термодинамических величин и кинетические T:cr)*t:rc:"!i:ros вблизи фазовых переходов и т.д. Существенна прогресе достигнут в описаїзя; свойств кристаллов с изолированными дислокациями и ансамблями сильновсаимодействующих дефектов.
Теоретически наименее изученной частью данной проблемы является задача исследования условии формирования и перестройки под действием внешних воздействий гетерофазшх, полидоменных структур, влияния на них дефектов кристаллического строения, расчета термодинамических свойств я кинетических характеристик гетерсігзшх, похадкюшш кристаллов.
Ваяность решения етой задачи обусловлена тем, что оно позволило бы с одной стороны провести анализ и интерпретацию результатов вногочисленных -экспериментальных исследований, предсказать новые, вффекгн;' в значительной мере, продвинуться в
r>
построении термодинамики и кинетики систем с собственными, внутренними степенями свободы; с другой стороны, намечает пути направленного электрического, термического, механического ' воздействия на структурный фазовый переход с целью получения в одном и том же материале различных гетерофазных структур, а в конечном итоге, создание конструкционных матэриалов, обладающих улучшенными наперед заданными электромеханическими свойствами, прогнозирование поведения материалов в различных внешних условиях. Поэтому изучение свойств реальных гетерогенных кристаллов является чрезвычайно важной и актуальной задачей как фундаментальной, так и прикладной физики.
Настоящая работа выполнена в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР на 1981-1985 и 1986-1990 гг . в области естественных наук по направлению 1.3. "Физика твердого тела" разделы 1.3.2.2. " Исследование реальной структуры твердых тел , свойств и взаимодействия дефектов кристаллической решетки", 1.3.1.3. " Коллективные явления и фазовые переходы в твердых телах. Магнитоупорядоченные вещества. Сегнетоэлектрики. Жидкие кристаллы.", 1.3.2.6. " Исследование Фазовых превращений и их влияния на механические и другие свойства твердых тел", 1.3.9-1. " Теория сегнетоэлектрических, антисегнетоэлектрических и других типов структурных, фазовых переходов. Исследование структурных фазовых переходов методами термодинамики, квантовой теории поля" и по аправлениям " Теория физико-механических свойств твердых тел" ( ГБ 86.23, номер гос. регистрации 01860061222), "Теория физико-механических свойств твердых тел и твердотельных конструкций" ( ГБ 91.08, номер гос. регистрации 01910048320), "математическое моделирование физико-химических процессов в конденсированных средах и операторные уравнения" ( ГБ 91.13 , номер гос. регистрации 01910005640).
Целью настоящей работы является:
исследование равновесных конфигураций гетерогенных структур в кристаллах со сложной микроструктурой и их динамических свойств.
В этой связи в работе решались следующие задачи:
определен!'! условий статического равновесия и равновесных конфигураций доменных и ыеифазных границ в ферроиках :. различных внешних условиях;
построение динамической теории доменных и межфазных границ в
фзрропу.ах, позволяющей самосогласованным оо>азо;>', оттиоиг-'Л'..
ЯТУїтттпттргсл ГЄТаТ'ОГ'ЄНННХ СТГК?У"!7 Тї РадаННЇ/Х T?!TC"!TI!iX ПОЛ-ТХ!
изучение пзгкоїшх колебаний доменних, меїлфазних границ р согі.'СлОбласїИках, сегнетоелектриках, сегнетоелектриках- сегнето-
аналпз механизме1: затухання изгйоннх колебании д-~.:.~ ::.,:-і: границ в сегнетоэластиках, сегнетоэлектриках-сегнетоэластиках;
ШСІІІІН'/ПННННИН ІІИННМИиНМІГПМ ФОГЛГПГТД UQ Г» ТПГТЇОТ» ІЛТМІЛПІППГО п.
шчечніїмл дефектами, в частности, выяспоние роли квази-статического и примесного торможения в динамике границ.
Дополнительные задачи исследования:
использовать идеи и результаты созданной теории при изучении изгибных колебаний и обобщенной восприимчивости дислокаций в сегнвтозлектриках;
выяснить возмонность применения динамической теории к мягкитлупгфядочвнннм кристаллам.
научная новизна. Б работе впервцо получена полная система уравнешй, огаїсіїваїсаая динаміку сегнетоелектрика, сегнето-олектрика-сегкетооластика с доменными, межфазными границами. Ее использование позволило установить, что как эффективная жесткость, так и эффективная масса границ являются существенно нелокальными величинами.
Впервые дан вывод условий равновесия фаз в ферроэласто-элсктриках, ферроэластомагнетиках, ферробиэлектриках, ферробимаг-нетиках, 'ферромагнитоэлектриках и в других более сложных ферро-иках ьисшего порядка и рассмотрены процесси переключения в этих кристаллах.
Впервые учтено влияние различия пьезоэлектрических, упругих модулей, электрострикционных, магнитострикционных коэффициентов диэлектрических констант контактирущих фаз (доменов) на равновесные конфигурации и динамическое поведение границ раздела.
Изучены изгибвде колебания доменных и мекфазнкх границ в сегнетоэластиках, сегнвтозлектриках, сегнетовлектриках-сегнето-эластиках. Исследованы механизмы затухания изгибных колебаний границ. Получена функция Грина диссипативного кристалла с двойниковой границей. \
/Выведена полная система. уравнений, описывающая динамику сегнетоелектрика,.. евгнетоэластика-сегнетоэлектрика с точечными дефектами. Определен вклад дефектов в конфигурационную силу.
действующую на границу раздела.
Рассмотрено влияние точечных переориентирующихся электрических диполей на движение доменных и мекфазных границ.
Изучено влияние точечных дефектов и дислокаций на квазистатическое движение границ в сегнетоэлектриках и ферроиках высшего порядка.
Получено выражение для силы, действующей на движущуюся границу раздела в сегнетоэлектрике - сегнетоэластике со стороны магнитного поля.
Исследованы изгибные колебания дислокации в сегнето-электрическом кристалле. Определена обобщенная восприимчивость дислокации.
Найден вклад затухания мягкой моды в коэффициент динамического торможения дислокации.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Динамическая теория доменных и межфазных границ в сегнетоэлектриках, сегнетоэлектриках - сегнетоэластиках, включающая полную систему уравнений самосогласованным образом, описыв-лцая эволюцию ансамбля границ, упругого, электршеского, температурного поля.
-
Теория упругих и электроупругих волн, локализованных вблизи доменных и межфазных границ в кристаллах. Законы дисперсии этих волн, их зависимости от упругих и электрических характеристик материала.
3. Механизмы затухания упругих и электроупругих волн,
локализованных вблизи границ раздела: термоупругое, вязкое,
электронное, фотонное. Функция Грина диссипативного кристалла с
двойниковой границей.
-
Динамика границ в кристалле с точечными др-^ектами. Вклад дефектов в конфигурационную силу, действующую на границу, квазистатическое, вязкое торможение границ в кристалле с дефектами.
-
Условия равновесия фаз в ферроиках высших порядков. Динамическая теория п лиц раздела в ферроиках высших порядков.
Совокупность полученных результатов, выводы диссертационной0 работы, их обобщение, позволяет сформулировать не ое развиваемое направлг чиє в физике активных диэлектриков, как разделе физики твердого тела: "Макроскопическая динамика гетерогенных структур в * ферроиках".
Научное и практическое значение результатов работы состоит прежде всего в том, что она является необходимым етапом в исследовании гетерогенных структур в сегнетоелектриках, сегнето-злектриках-сегнетоэ ластиках, ферроиках высших порядков. Развитые в работе теоретические представления и сделанные выполи представляют собой базу для дальнейшего теоретического и экспериментального изучения процессов переключения, термодинамических и электрических свойств этих кристаллов, целенаправленного воздействия на их структуру с точки зрения возможных технических приложений и получения в перспективе кристаллов с заданными физическими свойствами.
Полученные в работе результаты позволяют интерпретировать данные ряда экспериментов (например, внутреннее трение и диэлектрические потери в сегнетоелектриках, сегнетовластиках, диэлектрическая дисперсия, влияние магнитного поля на динамику границ, влияние внешних полей на двойникование ферроиков высших порядков) и стимулируют дальнейшие экспериментальные исследования, в частности, изучение упругих и электроупругих волн, локализованных на границе раздела. Анализ экспериментальных данных на основе разработанной теории открывает принципиальную возможность получения важной информации об особенностях реальной структуры кристаллов.
Результаты проведенных исследований используются при проведении экспериментов в Воронежском государственном- .техническом университете. Ростовском, Тверском государственных университетах, Днепропетровском университете, Институте Кристаллографии РАН и других научных центрах.
' Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзных школах-семинарах по физике сегнетозластиков (Калинин, І978 г.; Воронеж, 1982 г.; Харьков, 1985 г.; Днепропетровск, 1988 г.); Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 1994 г.); Всесоюзных школах-семинарах по сегнетоэлектричеству (Львов, 1981 г.; Косово, 1983 .г., Минск, 1986 г.; Ужгород, 1991 г.); Всесоюзных школах по физике пластичности и прочности (Харьков, 1984 г.; Харьков, 198? г.; Харьков, 1990 г.); Всесоюзном семинаре "Эффект, Баркгаузена и его использование в технике" (Калинин, 1980 г.). Всесоюзных конференциях по сегнетоэлектричеству и применению сегнётбэлекгриков в народном''хозяйстве.(Ростов-на-Дону, 1S79 г.;
Минск, 1982 г.; Киев, 1986 г.; Ростов-на-Дону, 1990 г.); семинарах по полупроводникам- сегнетоелектрикам (Ростов-на-До;гу, 1981 г.; Ростов-на-Дону, 1986 г.); Всесоюзном семинаре * "Визуализация и теория доменов в сегнетоэлектрических и родственных кристаллах" (Волгоград, 1980 г.); Межведомственном семинаре "Влияние внешних воздействий на реальную структуру сегнето- и пьезоэлектрикоь" (Черноголовка, 1981 г.); Всесоюзной конференции "Механизмы релаксационных явлений в твердых телах" (Воронеж, 1980 г.); семинаре "Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов" (Барнаул, 1988 г.); Всесоюзной школе-симпозиуме по проблеме "Релаксационные явления в металлических и неметаллических материалах" (Ереван, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Структура и злектрические свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" (Вороша, 1987 г.); совещании по механизмам внутреннего трения в твердых телах (Тбилиси, 1989 г.); Международной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Самара, 1992 г.); тколе-сеюшаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1993 г.); международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1994 г.); Международной конференции "Электронная керамика - получение и свойства" (Рига, 1990 г.); Международном симпозиуме по доменным структурам в сегнетоелектриках (Волгоград, 1989 г.); Советско-польском симпозиуме по физике сегнетоэлектриков и родственных материалов (Львов, 1990 г.).
Публикация результатов. По теме диссертации опубликована 61 работа. Основное содержание диссертации опубликовано в 37 статьях, приведенных в списке работ автора по теме диссертации, а также в тезисах докладов указанных выше конфервн" х&, совещаний, симпозиумов.
Личный вклад автора-в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, анализе полученных результатов, обобщении их и выводах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из, введения, шестиглав, заключения, прилокения. Она содаржит 340' стр. машинописного текста, в т. ч. оглавление и с-шсок литературы из 310 ..аименований, 12 рисунков.
