Введение к работе
Актуальность темы. Изучение ангармонических эффектов в динамике кристаллической решетки методами линейной и нелинейной лазерной спектроскопии рассеяния света в последнее время приобрело исключительно ванную роль как с точки зрения фундаментальных знаний, так и в практических приложениях современного материаловедения. Фонон - фонемные взаимодействия в совершенных кристаллах несут информацию об эффективном межатомном потенциале и проявляются в зависимостях физических свойств от частоты, температуры и других характеристик возмущающих полей, что, в конечном итоге, определяет область применимости данного соединения. Величина и особенности проявления энгармонизма решеточных колебаний зависят как от вида межатомного одночвеїичного потенциала конкретного кристалла, так и от степени внешних воздействий. При изменении внешних условий (температура, давление, электрические и магнитные поля, лазерное, нейтронное или рентгеновское излучения) решетка становится неустойчивей к фазовому превращению, которое соиривиждается перестройкой спектра всех элементарных возбуждений системы и ангармо-низм является одним из основных предвестников происходящик в кристаллах структурных изменений. Работы последних лет по колебательной спектроскопии фазовых переходов в кристаллах показали, что концепция мягкой мода явно недостаточна для описания предпереходных явлений. Вблизи критической точки взаимодействие колебаний становится сильным, в задаче нет малого параметра и допустимо использование лишь точных соотношений. Компьютерное моделирование кваэиоднемеркых систем с ангармоническими потенциалами позволило установить некоторые качественные особенности фазовых переходов, связанные с существованием прост-
ранственных несщнородностей, таких как доменные стенки .или кластеры их роль в установлении двухвременного масштаба в окрестности неуста чивости. В реальных кристаллах примеси и различного рода нессеершен тва кристаллической структуры, искажая исходную матриц значителы видоизменяют колебательные спектры, ожидаемые для чистого кристалл дают вклад в оптические, теплсфизические, механические,, свойства, также оказывают .влияние на область устойчивости кристалла. В скрес нести неустойчивости решетки как собственные динамические, связанные нелинейностью потенциала и дисперсией, так и статические прсстрзн твенные неоднородности играют определяющую роль по crenejoi вклада параметры рассеяния света - интенсивность, ширину линии, голяркзаци угловые характеристики рассеяния. Кроме того, динамические пространі твенные несщнородиасти: низкотетерзтурной пьеэо- или сегнетоэлектр ческой фазы, такие как доменные стенки, длинноволновые модуляці структуры или крупномасштабные флуктуации фазы дают вклад в затухаю $ононов в к- пространстве и интенсивнесть рассеяния на нулевой часта и могут быть изучены методам малоуглового рассеяния света (рассеян) на поляритонах) при различных температурах.
Моделирование колебательных спектров кристаллов средствами комт ютерного эксперимента даже на одномерных цепочках при условии сильної нелинейного взаимодействия позволяет.,приблизиться к пониманию npoqei сов, происходящих в области ^устойчивости решетки, отобрать основні взаимодействия, преобладающие в непосредственной окрестности неустоі чивости и определяющие критическое поведение макросвойств реальн кристаллов в широком интервале параметров возмущающих полей.
Сформулируем основные цели работы:
провести аналитические расчеты спектральной функции распредел ния колебательных состояний для модельных законов дисперсии окустича ких и оптических фононов при различных значениях волнового вектора;
провести аналитические расчеты колебательных спектров первого второго нирядкоы для сильно анизотропной модели при учете сильного аі
гэрмонизма решеточных колебаний;
выполнить компьютерное моделирование переноса возбуждений сильно ангармонической цепочки атомов и исследовать спектр колебательных возбуждений при варьировании граничных условий;
изучить теплофиэические свойства анизотропных квазиодномерных кристаллов StSI в окрестности фазового перехода и характер изменений колебательных спектров с учетом вклада доменной структури;
провести детальные исследования параметров колебательных спектров квазидвумерных кристаллов TlGaSe2 и смешанных кристаллов на их основе в скресгности неустойчивости структури;
выполнить расчеты спектральной функции распределения для кристаллов ниобата лития при учете резонансного взаимодействия колебаний в скрестнссти фазового перехода, обнаруживающего кроссовер переходов типа смещения и порядок-беспорядск;
провести детальные исследования методами рассеяния света, ультразвукового поглощения механизма фазового перехода в кристаллах кварца с различной степенью несовершенств структуры;
на основе полной аэва<уттнссти параметров рассеяния света оценить размеры нестоярэднсстей в кристаллах кварца в окрестности фазового перехода и вдали от него.
Аналитические расчеты колебательных спектров должны быть выполнены без приближения малости констант энгармонизма для сопоставления с зкспериментэльными спектрами. В качестве объектов сравнения выбраны квазиоднсмерные кристаллы StSI, обладающие цепочечной структурой, ква-эидвумерные слоистые кристаллы TlGaSe,, анизотропные сепгетозлектрики КЇР, LiNbOj , LiTaO,, антисегтжтсшіектрики МН4С1, МЭ4С1, пьеэозлектрик SO . В первом объекте - сжгнетоэлектрике - гголупроводнике сегнетоэ-лектрический фазовый переход наблюдается при 29ЭК, кристаллы КТР, ниобата и танталита лития - выхкгавмтаратурные сегнетоэлектрики, а кристаллы галогенидов аммония и дейтероаммония - низкотемпературные анти-сегнетоэлектрики. Кристаллы кварца были выбраны в качестве хорошо изученных пьезоэлектриков с контролируемой степенью несовершенства струк-
- Б -
туры и классической аномалией интенсивности рассеяния света в тсч-фазового перехода.
Осуществление перечисленный целей позволило поставить и реши] совокупность следующий задач, определяючих, на взгляд автора, научна новизну и значимость работы:
-
Проведен теоретический анализ условий резонансного взаимодей твия акустических и оптических Кононов при различных волновых вектор для законов дисперсии, моделирующих реальные дисперсионные кривы Изучено влияние затухания фотонов на пороговые значения констант а) гармонизма, при которых резонанс "выталкивается" из зоны многочэсти ных возбуждений. . .
-
Показано, что наличие нелинейного участка на дисперсионн ветви длинноволновых колебаний, возникающего, например, в реэультэ стрикционного взаимодействия, может приводить к образованию резонен акустических колебаний, а в области неустойчивости решетки - _ крупн масштабных коррелированных областей -. кластеров при малых значени констант энгармонизма. При этом в спектре появляется новая ветвь, а канчиваторяся на конечном значении анергии в длинноволновом пределе.
* 9." 'Выполнен количественный расчет плотности акустических состс ний в 'сильно анизотропных системах при учете энгармонизма третьегс четвертого порядка. Получены численные оценки области волновых век? ров, в которых резонансное состояние акустических Кононов может o5j зоваться при слабом энгармонизме. Найден явный вид функции эатука> акустических колебаний при учете кубического энгармонизма во всех г рядках - пропорциональный пятой степени импульса в слое.
4. численное моделирование переноса возбуждений дискретной цепе
ки атомов с ангармоническим потенциалом типа Й4 подтверждает основі
закономерности образования, кинетики и распада локальных ангармонич
, ких мод, возникэюпрт при пороговом значении ангармонизма выше гран стоической и акустической зон.
5. Исследованы. ссобенности структурного фазового перехода в к
зиодномерных кристаллах SfcSI. Впервые установлено существование круп-номашгабного параметра порядка в окрестности фазового перехода и показана возможность количественного определения параметров кинетики до:. менных сгенск на основе кст-ятлексных исследований методами теплофизики и колебательной схтектрзскопии. Предложен метод сканирующей калориметрии для оценки энергии активации доменных границ и частот их колебаний на центрах пиннинга в сегнетозлектрических кристаллах.
В. Проведены теоретические расчеты спектральной функции распределения в области частот внутренних колебаний группы аммония в кристаллах хлористого аммония и дейтерированного хлористого аммония. Определены численно константы энгармонизма, вид невозмуіценньїх функций плотности колебаний и частоты фундаментальных колебаний в результате последовательного учета эффектов резонансного взаимодействия между одно -и двухчастичными колебательными состояниями А1 - и F - симметрии.
7. Проведены численные расчеты Функции спектральной плотности ко-.
лебоний высохстеьтературного гететоэлектрика ниобата лития в окрест
ности Фазового перехода. Показана универсальность образования резо
нансных состояний акустических фононов в. скресгности фазового перехода
и близкая , аналогия таких возбуждений , с солитонэми типа "бризер" в
длинноволновой области спектра.
Показана всга-іоииссть количественного описания угловой дисперсии полярных колебаний из поляритонных спектров в анизотропных кристаллах на примере двуссных кристаллов КТР.
-
Проведены численные расчеты температурной эволюции формы контура спектральной функции в кристаллах кварца в окрестности фазового перехода. ' ,
-
Показано, что аномальное рассеяние света в точке фазового перехода кварца вызвано статическими микронесднородностями и оценены размеры неоднсродностей из данных по температурным, угловым и поляризационным характеристикам интенсивности рассеяния света при различных длинах волн.
Практическая ценность работы.
1. Показана возможность описания колебательных спектров кристш
f лов с единой точки зрения - нелинейного взаимодействия колебаний в ос
ласій случайного резонанса и при различных видах внешних возмущений» также в окрестности фазовых переходов.
2. Выявлена универсальность поведения ряда сегнетоэлектричесю
кристаллов по признаку существования нелинейных сздночэстичных возбу*
дений в окрестности фазового перехода и, следовательно, возможное:
. описания кластерного предпереходного режима количественно.
3. Предложен метод сканирующей калэриметрии для количественно!
. описания кинетики и динамики доменных границ в сегнетоэлектриках.
4. Оценены размеры пространственных неоднородностей в кристалл
кварца в точке фазового перехода и вдали от него.на основе комплем
параметров рассеяния света.
с _ . 5. Предложен способ контроля качества пьезоэлектрических криста лов на основе измерения пикового значения интенсивности рассеяния ев та в точкэ фазового перехода и степени деполяризации рассеянного све при нормальных условиях и получены авторские свидетельства на изобр тения. .-,
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложе и обсужденц.на IX, XII Всесоюзных конференциях по когерентной и не;
. нейной оптике (Москва, 1978, 1985), II, III, IV Всесоюзных конфереш. ях по комбинационному рассеянию света (Москва, 1978, Душанбе, 19 Ужгород, 1989), XIV Европейском конгрессе по молекулярной спектрос* пии (Франкфурт на Майне, 1979), IX Всесоюзном совещании по сегнетс лектричеству (Ростов на Дону, 1979), VII Ыежгогнаррднай конференции Ралан-стєктосіскопии (Оттава, 1980), XI Всесоюзной конференции по ак тоэлектронике и квантовой акустике (Душанбе, ,4981), -5тм.1&ррпейа
совещании по гегнетоэлектричесгву (Испания, 1983), Сессии научного -вета АН СССР по физике сегаетоэлектриков и диэлектриков (Душан 1984), XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной тике (Минск, 1988), XI, XII Всесоюзных конференциях по физике сегне электриков (Черновцы, 1986, Рсстсв-на-Дрну, 1989), XX Всесоюзном
съезде по спектроскопии (Киев, 1988), III Всесоюзной конференции по фшико-химическим основам технологии гегаетоэлектрических и родственных материалов (Звенигород, 1988), 5-м Русско-японском симпозиуме по сегнетоэлекгрикам (Москва, 1994).
Основные результаты диссертации опубликованы в 3D работе, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Содержание изложено на 290 страницах, включая 71 рисунок, 8 таблиц и список литературы из 167 наименований.
