СОДЕРЖА IIИ Е
Введение.........................................................4
ГЛАВА І. Обзор литераторы..............................................11
1.1. Процессы переключения в сегнетоэлсктриках.........................11
1.2. Вязкостные явления в сегнстоэлектриках и сегиетоэластиках ... 14
1.3. Релаксационный метод исследования динамических свойств
доменной структуры.....................................................19
1.4. Структура, физические свойства кристаллов ТГС, ДТГС, ВаІ іОз.
Влияние дейтсрирования на свойства сегнетоэлекгриков...................31
Постановка задачи......................................................41
ГЛАВА II. Методики исследования и обработки
результатов..................................................43
2.1. Экспериментальные установки.......................................43
2.1.1. Установка для исследования релаксации диэлектрической проницаемости при различных внешних воздействиях.......................43
2.1.2. Метод эффекта Баркгаузена.................................45
2.1.3. Устройство для создания одноосных механических напряжений . . .47
2.1.4. Методика исследования петель диэлектрического гистерезиса сегнетоэлекгриков по схеме Сойера-Тауэра...............................49
2.2. Методика исследования релаксации диэлектрической проницаемости..........................................................50
2.3. Обратное преобразование Лапласа. Обращение преобразования Лапласа с помощью разложения в ряд Фурье по синусам....................54
2.4. Методика исследования диэлектрической вязкости....................59
2.5. Объекты исследования........................................60
2.6. Погрешность измерения.............................................61
-2 -
ГЛАВА III. Экспериментальные результаты....................62
3.1. Диэлектрическая релаксация в монокристаллах чистого к дейтерированного триглипинсульфата.........................62
3.2. Математическая обработка релаксационных кривых е(1)...69
3.3. Использование модели вязкостных явлений для расчета распределения времен релаксации процесса переполярнзании кристаллов ТГС и ДТГС......................................75
3.4. Роль вязкостных явлений в процессах переключения кристалла Ва’ПОз под воздействием электрического поля................82
3.5. Влияние диэлектрической вязкости на гистсрезисные явления в кристаллах ВаТЮз...........................................87
3.6. Влияние механических напряжений на процессы переключения кристаллов ВаТЮз происходящих под воздействием электрического
ноля.......................................................91
ГЛАВА IV. Обсуждение экспериментальных результатов . . 98 §4.1. Релаксация диэлектрической проницаемости к кристаллах ТГС и
ДТГС.......................................................98
§4.2.Распределение времён релаксации в кристаллах ТГС и ДТГС! . . 103
§4.3.Вязкостные явления в кристалле ВаТЮз.................105
ВЫВОДЫ....................................................109
ЛИТЕРАТУРА................................................111
ПРИЛОЖЕНИЕ................................................124
ВВЕДЕНИЕ.
Акту ил ъпость тем ы. Сегнетоэлсктрики и родственные им материалы находят широкое применение во многих областях современной техники: гидроакустике, квантовой электронике, интегральной оптике, радио- и измерительной технике. Наибольшее распространение получили пироэлектрические приёмники излучения, рабочими телами которых являются кристаллы группы, триглицинсульфата (ТГС). Сравнительная простога технологии получения крупных однородных кристаллов делает ТГС и его изоморфы наиболее перспективными материалами для разработки высокочувствительных пироириёмников 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 гела. В последние годы внимание ученых привлекаю! 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. Полидомснные 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
-4-
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, ДТГ’С, ВаТЮз.
В соответствии с этой целью были поставлены основные задачи:
• Исследовать процессы переключения в ТГС и ДТГС, 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 дейтерирования на переключательные свойства кристалла ТГС.
• Разработать методику получения и исследования распределения времен релаксации процесса переполяризации.
• 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 ВаПСЬ методом эффекта Баркгаузена, разработав устройство ятя создания одноосных механических напряжений сжатия.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны перспективные для преобразователей инфракрасного излучения сегнстоэлектрики и твердотельной электроники - сегнетоэластики. Нами исследовались модельный одноосный сегнетоелектрик ТГС, его дейтерированный аналог ДТГС (фазовый переход II рода) и многоосный сегнетоэлектрик - сегнетоэластик ВаТіОз (фазовый переход I рода). Мы использовали монокристаллы ТГС и ДТГС, выращенные в Институте Кристаллографии РАН и на Ловозёрском горно-обогатительном комбинате, а также монокристаллы ВаТіОз, выращенные в Ростовском университете. Научная новизна, 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 дейтерирования на переключательные свойства ТІ О и распределение времен релаксации;
исследована роль диэлектрической вязкости в процессах переключения и в гистерезисных явлениях, происходящих в кристаллах ВаТіОз под действием электрического ноля в отсутствие и под воздействием механических напряжений;
изучено влияние механических напряжений на диэлектрическую вязкость и гистерезисные явления кристаллов ВаТіОз.
-6-
Практи ческая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанных экспериментальных и теоретических методов для исследования релаксационных явлений в твёрдых телах. ! 1олученные новые результаты углубляют представления о переключении сегнетоэлектриков под воздействием электрического поля и позволяют использовать математическую модель для описания процессов переполяризации.
Полученные в работе результаты и установленные закономерности могут быть использованы в лабораториях и научных центрах, занимающихся исследованиями динамических свойств доменной структуры сегнетоэлсктрических кристаллов. Они представляют интерес и для практического применения и могут быть учтены при разработке пироэлектрических приёмников, пировидиконов, запоминающих устройств, температурных датчиков.
Основные положения. выносимые па защиту.
Î. После коммутации электрического поля, приложенного к кристаллам ТГ'О и ДТГС, релаксация диэлектрической проницаемости в широком интервале значений электрических полей и температур описывается эмпирическим законом Кольрауша:
е(!) ~ cxpC-t/тГ, (!)
где 0<a<î. Для этих кристаллов приемлемым является представление о наборе времен релаксации; а - характеризует размытость распределения времён релаксации.
2. Увеличение напряженности коммутируемого поля для ТГС и ДТГС приводит к размытию распределения времен релаксации. С ростом температуры кристалла ДТГС размытость распределения времен релаксации уменьшается и вблизи температуры Кюри имеет место дебаевская релаксация (а=Т).
-7-
3. С помощью метода эффекта Баркгаузена установлено, что кривая распределения времен релаксации Г(т) процесса переполяризации для кристаллов ТГС и ДТГС имеет колоколообразную форму.
4. Дейтерирование изменяет характер температурной зависимости а, а также затрудняет процессы переполяризации кристаллов ТГ'С.
5. В определённом интервале полей и температур переключательные свойства кристалла ВаТЮз характеризуются коэффициентом диэлектрической вязкости (3, независящим от величины электрического поля. Приложение к кристаллу ВаТЮз продольных механических напряжений приводи ! к отклонению от модели вязкостных явлений.
А пробация резул ътаюоа работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
1) XIV 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) III Международной научной конференции “Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах” (Тверь, 1998).
6) Международной конференции по росту и физике кристаллов (Москва, 1998).
7) Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1994).
-8-
8)11! Всероссийской научной конференции сгудентов-физиков (Екатеринбург, 1995).
9)П1 научной конференции молодых ученых и специалистов, (Дубна,
1999).
!0)9th European Meeting of Ferroelectricity (Praha, 1999).
!1)IV Международной конференции ‘"Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение” (Александров, 1999).
!2)ХХ Международной конференции “Релаксационные явления в твердых телах” (Воронеж, 1999).
!3)XV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Ростов - на - Дону, 1999).
? 4)1 V 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 № sn 1-151 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 ВаТЮз выполнены под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора физ.-мат. наук, профессора, В. М.Рудяка. Исследования релаксационных процессов
-9-
переполяризации в кристаллах ТГС и ДТГС выполнены под руководством кандидата физ.-мат. наук, доцента Р.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.
Содержание работы:
Но введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, основные положения, выносимые на защиту. Показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе представлен обзор известных результатов исследовании процессов переключения сегнетоэлекгрических кристаллов методом эффект Баркгаузена и релаксационным методом. Далее дается обзор литературы по исследованию сегнетоэлекгрических свойств ТГС, ДТГС и ВаТЮз, а также приводятся физические аспекты влияния дейтерирования на свойства сегнетоэлектриков. На основе анализа литературных данных формулируется пост ановка задачи исследований.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик проводимых исследований. Описаны графический и математический методы анализа и интерпретации экспериментальных результатов.
В третей главе изложены результаты экспериментального исследования релаксационных процессов переключения кристаллов ТГС и ДТГС, вязкостных явлений в процессах переполяризации кристаллов ВаТЮз, математического расчета распределения времён релаксации для кристаллов ТГС и ДТГС.
Четвертая глава посвящена обсуждению полученных экспериментальных результатов.
Основные результаты, полученные в работе, сформулированы в 7 выводах.
- 10-
ГЛАВА I.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
§1*1. Процессы переключения в сегнетоэлектриках
I. Сегнетоэлектрики - это особый класс кристаллических диэлектриков, характеризующихся наличием в определённом температурном интервале спонтанной поляризовавюсти, которая может быть реориентирована приложенным внешним электрическим полем. Температура Тс, выше которой поляризованноеть отсутствует и ссгнстоэлектрик ведёт себя как линейный диэлектрик, называется точкой Кюри. Сепгетоэлекфики в отсутствие электрического поля разбиты на домены, которые под воздействием поля могут перестраиваться.
Сегнетоэлектричество является интенсивно развивающейся областью знания о твердом теле, количество работ постоянно увеличивается. Результаты многочисленных исследований систематизированы и изложены в монографиях 11-10].
Исследование процессов переполяризации представляет собой фундаментальную задачу и имеет практический интерес [I -3,9,111. Эффект Ьаркгаузена является чувствительным методом исследования динамики доменной структуры, позволяющим исследовать процессы не только на поверхности образца но и в объёме кристалла.
Наибольшее число работ по исследованию процессов переключения методом эффекта Ьаркгаузена - это работы выполненные в Тверском госуниверситете. Результаты этих работ сконцешрированы в монографии В. М. Рудяка [2|. Отметим некоторые новые работы, посвященные исследованию процессов перестройки доменной структуры под действием электрического поля или при изменении температуры 112-14].
-11 -
- Київ+380960830922