Введение к работе
Актуальность темы. Первые сообщения о новом сегнетоэлектрическом материале - ниобате бария-натрия {НБН) появились в работах Д.Е. Геузика, Д.Д. Рубина и др. в 1967 г. С тех пор и по настоящее время он активно исследуется в различных научных центрах. Интерес к этим кристаллам обусловлен их значительными преимуществами по сравнению с известными электрооптическими кристаллами, такими как LiNbOj и ЫТаО]. Одним из таких преимуществ является устойчивость этих кристаллов к воздействию интенсивного лазерного излучения и наличие высоких электрооптических коэффициентов, что дает возможность применять кристаллы ниобата бария-натрия в лазерных системах связи, опто- и акустоэлектронике, а такжЬ в других областях науки и техники.
Существенной особенностью НБН является уникальная последовательность фазовых переходов, а именно наличие стабильной сегнетоэластической фазы (mm2), промежуточной между двумя сегнетоэлектрическими фазами, обладающими одинаковой более высокой симметрией (4mm). Известным примером похожего чередования фаз является только сегнетова соль, но температурный диапазон устойчивости сегнетоэластической фазы в НБН несоизмеримо шире - до 400К. К тому же сегнетоэласти-ческая фаза является во всем интервале существования несоразмерной со сложно модулированной структурой. Если добавить к этому тот факт, что сегнетоэластическая фаза является еще и сегнетоэлектрической, то становится понятным столь пристальное внимание к этим кристаллам как в экспериментальном, так и теоретическом плане. Сложная структура ниобата бария-натрия в этой фазе и высокая чувствительность свойств к нестехиометрии по кислороду приводит к появлению различных эффектов: стеклоподобного состояния, релаксорных свойств, долговременной релаксации структуры к ее равновесному состоянию, эффектов памяти и др.
Исследованию различных физических свойств НБН кристаллов посвящено большое количество работ многих авторов. Однако явления, происходящие в этих нелинейных кристаллах, оказались настолько сложными, что до сих пор остается открытым вопрос не только о влиянии реальной структуры на фазовые переходы, ее связи с несоразмерной модуляцией, но к настоящему времени нет единого мнения даже относительно рода сегнетоэластического фазового перехода при 573К. Совершенно недостаточно информации, касающейся динамики доменов и солитонов, взаимодействия точечных дефектов с доменными стенками и дислокациями в этих кри-
2 сталлах, которая необходима для выяснения природы двойникования и связанных с
ним механических, диэлектрических и электрооптических свойств. Последнее чрезвычайно важно, поскольку без устранения двойниковой структуры практическое применение кристаллов ниобата бария-натрия весьма ограничено.
В связи с этим исследование влияния динамики доменных границ, зародышей новой фазы и несоразмерной модуляции на свойства НБН кристаллов в сегнетоэла-стической фазе методами низкочастотной акустики является актуальной физической задачей.
Тематика данной работы соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2. -«Физика конденсированных состояний вещества», подраздел 1.2.4. - «Мезоскопиче-ские явления»). Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ.96.26 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники", а также гранту РФФИ №98-02-16055.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование особенностей проявления динамики доменных и межфазных границ в механических и поляризационных свойствах монокристалла Ba2NaNbsOis в области температур 80-^600К, включающей в себя температуры сегнетоэластических фазовых переходов, при различных внешних воздействиях и объяснение обнаруженных явлений и эффектов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
-
Исследовать поведение низкочастотных упругих и неупругих свойств в окрестности сегнетоэластических фазовых переходов при 110К и 573К для установления физических механизмов, ответственных за механические потери при этих переходах.
-
Уточнить род и характер сегнетоэластического фазового перехода при 573К.
-
Провести сравнительные исследования механической нелинейности ниобата бария-натрия в сегнетоэластаческой и в параэластической фазах для разделения вкладов во внутреннее трение механизмов потерь, связанных с движением сегнетоэластических двойниковых границ и дислокаций под действием больших амплитуд механических напряжений.
-
Изучить особенности формирования и временную эволюцию петель диэлектрического гистерезиса для установления влияния дефектов на кинетику доменных границ в ниобате бария-натрия.
-
Исследовать температурный ход спонтанной крутильной деформации образца в крутильном маятнике в окрестности сегнетоэластического фазового перехода при 573К и в сегнетоэластической фазе, где имеет место сосуществование и перестройка несоразмерных lq и 2q структур.
Объект исследований. В качестве объекта исследования был выбран монокристалл Ba2NaNb5Ol5, относящийся к семейству оксидных сегнетоэлектриков со структурой типа тетрагональной вольфрамовой бронзы. 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, многие из которых изучены явно недостаточно. Во-вторых, к началу настоящей работы литературные данные относительно динамики доменных, межфазных границ и солитонов в сегнетоэластической фазе этого кристалла носили неполный и зачастую противоречивый характер. В-третьих, практически полностью отсутствовали сведения относительно низкочастотных упругих и неупругих свойств кристалла Ba2NaNb5Oi5 в различных фазах.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований монокристалла Ba^NaNbsO/s в области температур от 80 К до 600 К получены автором впервые и заключаются в следующем:
-
Устранено противоречие, касающееся рода и характера сегнетоэластического фазового перехода при 573К.
-
Обнаружен и исследован релаксационный пик внутреннего трения при 228К, сопровождаемый резким изменением модуля сдвига, обусловленный взаимодействием доменных границ с точечными дефектами.
-
Экспериментально доказано, что амплитудная зависимость внутреннего трения как в сегнетоэластической, так и в параэластической фазах в основном определяется дислокационным механизмом механических потерь.
-
Обнаружена особенность в температурном ходе угла спонтанного закручивания образцов активной Y — ориентации, соответствующая области температур, в которой происходит наиболее интенсивная взаимная перестройка lq<~>2q несоразмерных структур.
4 Практическая значимость. Полученные в работе результаты и установленные'
закономерности по исследованию внутреннего трения и поляризационных свойств кристалла Ba2NaNb}Oi<; могут быть использованы в лабораториях и научных центрах, занимающихся акустическими исследованиями сегнетоэластических и несоразмерных фазовых переходов, а также исследованиями реальной структуры и физических свойств сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков, обусловленных динамикой доменной структуры.
Полученные в работе результаты углубляют представления о последовательных фазовых переходах в кристалле Ba2NaNbsOi5, а также позволяют существенно пополнить имеющуюся информацию о низкочастотных механизмах механических потерь. Данные по изучению долговременной релаксации, установленные в работе условия проявления и параметры релаксации метастабильных состояний могут быть использованы при разработке датчиков, а также элементов и устройств долговременной памяти в твердотельной электронике.
Сделанные в работе оценки величин скачков спонтанной деформации при сегнетоэластических фазовых переходах, установленные закономерности поведения упругих модулей и потерь механической энергии в зависимости от температуры, статических и колебательных механических напряжений, степени дефектности кристаллов представляют несомненный интерес для отработки режимов раздвойникования кристаллов НБН в сегнетоэластической фазе.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Совокупность экспериментальных фактов в пользу того, что фазовый переход при 573К является переходом второго рода.
-
Установление доменной природы релаксационного пика внутреннего трения и скачка модуля сдвига при 228К.
-
Дислокационный механизм механических потерь в сегнетоэластической и в пара-эластической фазах ниобата бария-натрия вблизи точки Кюри в диапазоне амплитуд деформации от ІО"4 лоІЛСҐ.
-
Эффект аномального закручивания образца в сегнетоэластической несоразмерной фазе и физические представления о его природе.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 10 Международных, Европейских, Всероссийских и других конференциях: XX Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999), XV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Ростов-на-
5 Дону, 1999), 9 Европейской конференции по сегнетоэлек-фичеству (Прага, Чешская
Республика, 1999), 8 Международной конференции "Сегнетоэлектрики - полупроводники" (Ростов-на-Доігу, 1998), 2 Международном семинаре по релаксорным сегнето-электрикам (Дубна, 1998), Всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97" (Воронеж, 1997), 7 Международном семинаре по физике сегнетоэласти-ков (Казань, 1997), 5 Международном симпозиуме по доменам в ферроиках и мезо-скопическим структурам (Пенсильвания, США, 1998), 6 Японско-СНГ-Балтийском .симпозиуме по сегнетоэлектричеству (Токио, Япония, 1998), 3 Всероссийский семинар "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж, 2000).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ в виде статей и тезисов докладов, перечень которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Все экспериментальные исследования, написание статей и подготовка докладов на конференции автором были выполнены самостоятельно. Определение направления исследований, формулирование задач работы и обсуждение результатов экспериментов осуществлялись совместно с научным руководителем проф. Гридневым С.А.. Соавторы публикаций к.ф.-м.н. Иванов О.Н. и к.ф.-м.н. Ходоров А.А. принимали участие в обсуждении результатов совместных работ и подготовке их к опубликованию в печати.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и выводов, списка цитированной литературы из 130 наименований и содержит 134 страницы машинописного текста, 53 рисунка и 1 таблицу.
