Введение к работе
Актуальность темы. Физика сегнетоэластических и родственных явлений и тесно переплетающаяся с ней физика структурных фазовых переходов принадлежат к важнейшим и быстро развивающимся разделам физики твердого тела, а сегнето-эластические материалы, благодаря уникальным физическим свойствам, находят все более широкое применение в опто- и акустоэлектронике, информатике и измерительной технике, а также в других отраслях современной промышленности. Специфика физических свойств сегнетоэластиков в основном определяется существованием у них в определенном температурном интервале спонтанной реориентируемой деформации, а также наличием и динамикой доменной структуры.
В последние годы особенно интенсивно исследуются кристаллы, в которых сег-нетоэластические фазовые переходы, особенно при высоких температурах, предшествуют переходу в фазу с суперионной проводимостью, непосредственно связанной со структурным разупорядочением этих материалов. Существование фазы с суперионной проводимостью приводит к значительному изменению всех физических свойств кристалла, а также появлению новых явлений, которые ранее не встречались в практике исследования сегнетоэластиков. Исследования суперионных кристаллов свидетельствуют о значительном эффекте взаимодействия между дефектной и доменной структурами в разупорядоченных фазах.
Для развития исследований специфических особенностей супериоников-сегнетоэластиков методологически важно проведение комплексных исследований макроскопических (диэлектрических, электрических, упругих, неупругих и др.) свойств при низких и инфранизких частотах, на которых особенно явно проявляется взаимодействие дефектов кристаллической решетки друг с другом, притом со специфическими механизмами таких взаимодействий, так как характерные времена релаксационных процессов, связанных с изменением дефектной и доменной структуры, могут соответствовать именно этим частотам.
В этой связи представляет интерес исследование кристалла KLiS04, который известен уже давно, но в котором сравнительно недавно в области высоких температур обнаружены высокопроводящие суперионная и сегнетоэластическая фазы, кото-рыеизучены крайне мало из-за методических и других трудностей.
Несмотря на очевидную научную и прикладную важность изучения особенностей физических свойств суперионных кристаллов на низких и инфранизких частотах, к моменту начала данного исследования практически отсутствовали работы, посвященные механической и диэлектрической релаксации в JCLiSO,). Анализ и сопоставление опубликованных в литературе результатов исследований кристалла KLiSO.( свидетельствуют об очевидных противоречиях как в экспериментальных данных, так и в их интерпретации.
Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ 96.23 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники", а также грантам РФФИ № 94-02-06591 и № 98-02-16055.
Цель работы: Целью этой работы было экспериментальное исследование электропроводности и внутреннего трения в кристалле KIJSO4 в области высокотемпературных фазовых переходов, выявление особенностей и общих закономерностей поведения упругих и неупругих свойств при различных внешних воздействиях и объяснение обнаруженных явлений и эффектов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
-
Провести сравнительное исследование температурных зависимостей проводимости, дюлектрическои проницаемости, упругого модуля и внутреннего трения в кристалле KL1SO4 в окрестности высокотемпературных фазовых переходов с целью уточнения симметрии сегнетоэластической фазы, а также типа и рода сегенетоэла-стических фазовых переходов.
-
Изучить влияние термоциклирования и предыстории образцов на гистере-зисные явления с целью выяснения природы метастабильных состояний в окрестности сегнетоэластического фазового перехода.
-
Исследовать особенности инфранизхочастотного внутреннего трения и упругого модуля при сегнетоэластическом суперионном фазовом переходе с целью установления природы диссипации механической энергии.
-
Исследовать температурную эволюцию угла спонтанного закручивания образца в окрестности сегнетоэластических фазовых переходов и оценить возникающую спонтанную деформацию.
-
Изучить особенности поведения электропроводности и диэлектрической проницаемости в окрестности высокотемпературных фазовых переходов.
Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран кристалл KL1SO4, относящийся к семейству двойных сульфатов. Выбор этого кристалла в качестве объекта исследований был обусловлен следующими причинами. Во-первых, данный кристалл обладает уникальной последовательностью фазовых переходов разной природы: сегнетоэлектрические, сегнетоэластические, несоразмерные, суперионные и др., многие из которых изучены явно недостаточно. Во-вторых, к началу настоящей работы литературные данные относительно различных свойств этого кристалла в высокотемпературных фазах носили неполный и частично противоречивый характер. В-третьих, практически полностью отсутствовали сведения относительно низкочастотных упругих и неупругих свойств кристалла KUSO4 в различных фазах.
Такие результаты были впервые получены, обсуждены и опубликованы соискателем, они же включены в выносимые на защиту положения.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований кристалла KLiS04 в области высоких температур получены автором впервые и заключаются в следующем:
-
Дано объяснение особенностям поведения электропроводности и диэлектрической проницаемости в области высокотемпературных фазовых переходов.
-
Выделен вклад динамики доменных границ в инфранизкочастотные упругие и неупругие свойства кристалла в сегнетоэластической фазе.
-
Установлена зависимость параметров пика внутреннего трения в области суперионного сегнетоэластического фазового перехода от скорости изменения темпе-
з ратуры и частоты, обусловленного зародышеобразованием и динамикой межфазных границ.
-
Обнаружен и исследован эффект спонтанного возникновения крутильного момента сил, связанного со сдвиговой компонентой деформации, аномально изменяющейся при сегнетоэластических фазовых переходах.
-
Установлено качественное согласие результатов эксперимента с выводами термодинамического анализа переключения сепгетоэластика под действием внешних механических напряжений, предсказывающего температурное поведение пика внутреннего трения вблизи точки Кюри.
Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты углубляют представления о фазовых переходах в сегнето?ластическом суперионном кристалле KLiS04, позволяют установить специфические низкочастотные механизмы механических потерь. Данные по изучению релаксации метастабильных состояний в окрестности температуры фазового перехода могут быть использованы для построения теории фазовых переходов в реальных (дефектных) кристаллах.
Полученные в работе результаты и установленные закономерности по исследованию электропроводности и внутреннего трения в кристалле KLiS04 могут быть использованы в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями сегнетоэластических и суперионных фазовых переходов.
Проведенные в работе оценки величин скачков спонтанной деформации при сегнетоэластических фазовых переходов, критических объемов зародышей, значений упругих модулей и потерь механической энергии представляют несомненный интерес для практики.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Объяснение особенностей температурной зависимости проводимости в области суперионного фазового перехода и анализ скачкообразных изменений проводимости и диэлектрической проницаемости в области фазового перехода при 712К.
-
Физические представления о природе аномального термического гистерезиса при фазовом переходе вблизи 712К.
-
Установление механизма низкочастотного внутреннего трения в области сегнетоэластического суперионного фазового перехода при 948К.
-
Эффект спонтанного закручивания образцов при сегнетоэластических фазовых переходах и оценка величин скачков спонтанной деформации.
-
Совокупность доказательств в пользу того, что фаза между 712 и 948К имеет симметрию лиже, чем гексагональная (предположительно орторомбическую).
Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и других научных конференциях, в том числе на 14 Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995 г.), Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1995 г.), 7 Международном семинаре по физике сегнетоэлек-триков-полупроводников (Ростов-на-Дону, 1996 г.), 4 Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996 г.), Международном семинаре по сегнетоэлектрикам-релаксорам (Дубна, 1996 г.), 3 Американо-СНГ-Балтийском семинаре по физике сегнетоэлектриков (Бо-земан, США, 1997 г.), 7 Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Ка-
зань, Татарстан, 1997 г.), 9 Международной конференции по сегнетоэлектричеству
(Сеул, Корея, 1997 г.), 9 Международной конференции "Взаимодействие дефектов и
неупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997 г.), 6 Японско-СНГ-Балтийском се
минаре по сегнетоэлектричеству (Токио, Япония, 1998 г.), 5 Международном симпо
зиуме по доменам в ферроиках и мезоскопическим структурам (Пенсильвания, США,
1998 г.), Международном семинаре по сегнетоэлектрикам-релаксорам (Дубна,
1998 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 17 работах в виде статей и тезисов докладов. Их список приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты получены лично автором. Определение направления исследований, обсуждение экспериментальных результатов и подготовка работ к печати, а также формулировка выводов работы осуществлялись совместно с научным руководителем проф. С.А. Гридневым.
Несколько работ выполнено совместно с аспиранткой Сафоновой Л.П., что отражено в совместных публикациях.
Исследования влияния примесей на свойства кристалла KLiS04 проведены на кристаллах, выращенных на кафедре неорганической химии Барселонского университета (Испания) и любезно предоставленных проф. Лаурдес Ваші.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, заключения, списка цитированной литературы из 126 наименований и содержит 122 страницы машинописного текста, 30 рисунков и 1 таблицу.