Введение к работе
Актуальность темы. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы находят широкое применение во многих областях современной техники: гидроакустике, квантовой электронике, интегральной оптике, радио- и измерительной технике. Наибольшее распространение в настоящее время получили пироэлектрические приёмники излучения, рабочими телами которых являются кристаллы группы триглицинсульфата (ТГС). Сравнительная простота технологии получения крупных однородных кристаллов делает ТГС и его изоморфы наиболее перспективными материалами для разработки высокочувствительных пироприёмников и пировидиконов.
Наличие в сегнетоэлектриках спонтанной поляризации, которая может быть реориентирована приложенным внешним электрическим полем, является отличительной особенностью этих кристаллов. Поэтому исследование процессов переполяризации сегнетоэлектриков представляет собой фундаментальную задачу физики твердого тела. В последние годы внимание ученых привлекают различные неоднородные системы, примерами которых могут служить стёкла, солитонные структуры несоразмерных фаз или доменные структуры реальных, содержащих дефекты сегнетоэлектриков. Значительный интерес в таких объектах представляют релаксационные явления, происходящие после различных внешних воздействий (электрическое поле, изменение температуры, механическое напряжение). Для этих систем характерно множество метастабильных состояний и, как следствие, медленная релаксация к термодинамическому равновесию. Полидоменные сегнетоэлектрики, по-видимому, могут служить модельным объектом для экспериментального исследования общих закономерностей медленной кинетики структуры и
физических свойств. Изучение процессов переключения^
сегнетоэлектрических кристаллов представляет интерес с научной точки зрения и, кроме того, необходимо при решении ряда прикладных проблем. Однако, имеющиеся на сегодня литературные данные по исследованию релаксационных явлений в различных неоднородных системах противоречивы. Поэтому целесообразно было исследовать процессы переключения сегнетоэлектриков с помощью высокочувствительных методов: эффекта Баркгаузена, исследования временных зависимостей диэлектрической проницаемости, компьютерной обработки данных.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование релаксационных и вязкостных явлений в кристаллах ТГС, ДТГС, ВаТіОз-
В соответствии с этой целью были поставлены основные задачи:
Исследовать процессы переключения в ТГС и Дії С, происходящие после коммутации электрического поля, методом исследования временных зависимостей диэлектрической проницаемости и методом эффекта Баркгаузена, а также влияние внешних воздействий на протекание процессов переполяризации этих кристаллов.
Выявить влияние деитерирования на переключательные свойства кристалла ТГС.
Разработать методику получения и исследования распределения времен релаксации процесса переполяризаций.
в Исследовать роль диэлектрической вязкости в процессах переключения кристаллов ВаТЮз, вызванных воздействием электрического поля, методом эффекта Баркгаузена.
Исследовать характер влияния механических напряжений на
диэлектрическую вязкость и процессы переполяризации кристалла ВаТЮз
методом эффекта Баркгаузена, разработав устройство для создания
одноосных механических напряжений сжатия.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны перспективные для преобразователей инфракрасного излучения сегнетоэлектрики и твердотельной электроники - сегнетоэластики. Наряду с практической значимостью, исследование поведения доменной структуры выбранных объектов имеет важное теоретическое значение.
Нами исследовались модельный одноосный сегнетоэлектрик ТГС, его дейтерированный аналог ДІЇ С (фазовый переход II рода) и многоосный сегнетоэлектрик - сегнетоэластик ВаТЮз (фазовый переход I рода)
Мы использовали монокристаллические образцы кристаллов ТГС и ДТГС, выращенные в Институте Кристаллографии РАН и на Ловозёрском горно-обогатительном комбинате, а также монокристаллы ВаТЮз, выращенные в Ростовском университете.
^Научнаяновизна. В данной работе впервые:
получено распределение времён релаксации процесса переполяризации для кристаллов ТГС и ДТГС с помощью метода эффекта Баркгаузена, модели вязкостных явлений и численного метода Папулиса нахождения обратного преобразования Лапласа и установлено, что для этих объектов целесообразным является представление о целом наборе времен релаксации;
с помощью разработанной нами методики исследовано влияние внешних воздействий на размытость распределения времён релаксации кристаллов ТГС и ДТГС;
проведено сравнение переключательных свойств кристаллов ТГС и ДТГС, исследовано влияние деитерирования на переключательные свойства ТГС и распределение времен релаксации;
исследована роль диэлектрической вязкости в процессах переключения и в гистерезисных явлениях, происходящих в кристаллах ВаТіОз под действием электрического поля в отсутствие и под воздействием механических напряжений;
изучено влияние механических напряжений на диэлектрическую вязкость и гистерезисные явления кристаллов ВаТіОз-
Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанных экспериментальных и теоретических методов для исследования релаксационных явлений в твёрдых телах. Полученные новые результаты углубляют представления о переключении сегнетоэлектриков под воздействием электрического поля и позволяют использовать математическую модель для описания процессов переполярнзации.
Полученные в работе результаты и установленные закономерности могут быть использованы в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями динамических свойств доменной структуры сегнетозлектрическнх кристаллов. Они представляют интерес и для практического применения и могут быть учтены при разработке пироэлектрических приёмников, пировидиконов, запоминающих устройств, температурных датчиков.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. После коммутации электрического поля, приложенного к
кристаллам ТГС и Дії С, релаксация диэлектрической проницаемости в
широком интервале значений электрических полей и температур
описывается эмпирическим законом Кольрауша:
G(t)~eXp(-t/T)a, (1)
где 0<а<1. Для этих кристаллов приемлемым является представление о наборе времен релаксации; a - характеризует размытость распределения времён релаксации.
-
Увеличение напряженности коммутируемого поля для ТГС и Д'1'l С приводит к размытию распределения времен релаксации. С ростом температуры кристалла Д11С размытость распределения времен релаксации уменьшается и вблизи температуры Кюри имеет место дебаевская релаксация (а=1).
-
С помощью метода эффекта Баркгаузена установлено, что кривая распределения времен релаксации fij) процесса переполяризации для кристаллов ТГС и ДТТС имеет колоколообразную форму.
-
Дейтерирование изменяет характер температурной зависимости а, а также затрудняет процессы переполяризации кристалловТГС.
-
В определённом интервале полей и температур переключательные свойства кристалла ВаТіОз характеризуются коэффициентом
диэлектрической вязкости Р, независящим от величины электрического поля. Приложение к кристаллу ВаТЮ3 продольных механических напряжений приводит к отклонению от линейной модели вязкостных . явлений.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
1)XTV Всероссийской. конференции по физике сегнетоэлектриков
(Иваново, 1995). 2) VII Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков -
полупроводников (Ростов - на -Дону, 1996). 3)111 Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства,
реальная структура, применения" (Александров, 1997). 4) Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1996). 5)Ш Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1998).
-
Международной конференции по росту и физике кристаллов (Москва, 1998).
-
Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1994).
8)Ш Всероссийской научной конференции студентов-физиков
(Екатеринбург, 1995). 9) III научной конференции молодых ученых и специалистов, (Дубна,
1999). I0)9fe European Meeting ofFerroelectricity (Praha, 1999). 11)IV. Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, —реальїгаячггруктура; применение''(Александров,1999). 12)ХХ Международной конференции "Релаксационные явления в
твердых телах" (Воронеж, 1999). 13)XV Всероссийской конференции по' физике сегнетоэлектриков
(Ростов - на - Дону, 1999). 14)IV научной конференции молодых ученых и специалистов (Дубна,
2000). Публикации. Основные результаты исследований отражены в работах, опубликованных в международной, центральной и межвузовской "печати. Всего по теме диссертации опубликована 21 работа, написанная в ~ соавторстве.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом исследований, проводимых на кафедре физики
сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков ТвГУ, при поддержке Международной Соросовской Программы Образования в Области Точных Наук (гранты № snl451 и s96-2990) и президента РФ (стипендия аспиранта за 1998-1999 и 1999-2000 уч. г.).
Автором получены все основные экспериментальные результаты, выполнены соответствующие расчёты физических параметров, проведена интерпретация экспериментальных данных.
Работы по изучению роли диэлектрической вязкости в процессах переключения кристаллов ВаТіОз выполнены под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора физ.-мат. наук, профессора, В.М.Рудяка. Исследования релаксационных процессов переполяризации в кристаллах ТГС и ДТГС выполнены под руководством кандидата физ.-мат. наук, доцента В.В.Иванова.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста и содержит 39 рисунков и 1 таблицу. Библиография включает 117 наименований.
