Вплив одновісних тисків на рефракційні властивості кристалів групи А2ВХ4 з інверсією знака двопроменезаломлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИЧНОЇ ОПТИКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

ВПЛИВ ОДНОВІСНИХ ТИСКІВ НА РЕФРАКЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ ГРУПИ А₂ВХ₄ З ІНВЕРСІЄЮ ЗНАКА ДВОПРОМЕНЕЗАЛОМЛЕННЯ

БРЕЗВІН Руслан Степанович

Львів - 2000

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом значна увага приділяється кристалам з інверсією знака двопроменезаломлення. Після встановлення температурно-спектральних діаграм інверсії знака двопроменезаломлення було запропоновано використати їх для задання і вимірювання температури та створення реперних температурних точок. Ці роботи започатковані у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Поряд з пошуком нових кристалів досліджувались відомі кристали на стійкість точки інверсії знака двопроменезаломлення щодо відпалу зразків, термоциклювання, впливу домішок, дефектів і зовнішніх полів. Важливим є пошук нових кристалів, які б охоплювали ще не освоєні області температур, доступні області спектра, були дешевими та зручними технологічно. Крім сказаного, заміна елементів структури, інші фактори впливу на двопроменезаломлення кристалів повинні би сприяти створенню мікроскопічної теорії ефекту та пошуку стабільних матеріалів. Тонкий ефект інверсії знака двопроменезаломлення може бути чутливим індикатором особливостей фазових переходів (ФП), несумірних фаз (НФ) та інше.

До початку наших досліджень було виконано низку робіт по вивченню двопроменезаломлюючих властивостей різноманітних кристалів, однак практично відсутні відомості про вплив одновісного механічного тиску на спектральні залежності двопроменезаломлення, поведінку ізотропних точок та фазових переходів.

У зв'язку з викладеним, завданням роботи був пошук і дослідження нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення, встановлення впливу заміщень елементів структури та зовнішніх полів на характеристики ефекту.

Об'єктами дослідження були відомі сегнетоелектричні кристали (NH₄)₂BeF₄ і LiKSO₄, що володіють інверсією знака двопроменезаломлення та низкою фазових переходів, а також кристали сингеніту (К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O). З ряду ізоморфних кристалів типу АВSO₄, де A, B = Li, K, Na, Rb, Cs i NH₄, що в принципі можуть володіти інверсією знака двопроменезаломлення, було вирощено декілька ізоморфних кристалів і вибрано для детальних досліджень кристали RbNH₄SO₄ та RbKSO₄.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з держбюджетними фундаментальними дослідженнями, які ведуться в лабораторії параметричної кристалооптики та рефрактометрії Інституту фізичної оптики за проектом Міністерства освіти України “Явища і процеси фізичної оптики та лазерної фізики” (№ д.р. 0196V006716, тема ІФО-24; № д.р. 0196V006996, тема ІФО-29), а також в лабораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка за проектом Міністерства освіти України “Аномальна оптична анізотропія в діелектричних та напів-провідникових кристалах” (№ д.р. 0197V018121, тема Фе-284 Б).

Мета та основні завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи були порівняльні дослідження інверсії знака двопроменезаломлення (ІЗД) та впливу одновісного механічного тиску на показники заломлення, двопроменезаломлення та інверсію знака двопроменезаломлення деяких вперше синтезованих та відомих кристалів, що володіють точкою інверсії знака двопроменезаломлення. Досягнення цієї мети вимагало вирішення наступних основних завдань:

1.Пошук нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення.

2.Дослідження дисперсії і температурних змін показників заломлення n_i(l,T) і двопроменезаломлення Dn_i(l,T) вперше вирощених кристалів RbNH₄SO₄ та RbKSO₄ в широкій області спектра (250-850 нм) і температур (77-820 К), їх апроксимація формулою Зельмейєра, розрахунок параметрів ефективних ультрафіолетових і інфрачервоних осциляторів, електронної поляризовності та рефракції.

3.Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості та точку інверсії знака двопроменезаломлення кристалів RbNH₄SO₄, (NH₄)₂BeF₄, LiKSO₄ та К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O.

4.Дослідження спектральних і температурних змін п'єзооптичних коефіцієнтів в околі точки інверсії знака двопроменезаломлення і точок фазових переходів.

5.Оптичне дослідження баричних зміщень точок фазових переходів між параелектричною, несумірною та сумірною фазами.

6.Побудова температурно-спектрально-баричних діаграм ізотропного стану досліджуваних кристалів та розгляд можливостей їх практичного застосування.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше вирощено оптично якісні кристали RbNH₄SO₄ і RbKSO₄, досліджено температурні та спектральні зміни їх показників заломлення і двопроменезаломлення в усьому температурному діапазоні їх існування, виявлено інверсію знака двопроменезаломлення;

встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичних напрямків суттєво змінює двопроменезаломлення досліджуваних кристалів, а при зміні осі тиску прирости двопроменезаломлення змінюють знак;

розраховано температурні та спектральні залежності комбінованих п'єзооптичних констант досліджуваних кристалів, виявлено підвищення симетрії їх тензора в районі точки інверсії знака двопроменезаломлення;

на основі експериментальних даних побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми інверсії знака двопроменезаломлення досліджуваних кристалів;

досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки фазових переходів кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄ і RbNH₄SO₄; виявлено точку зникнення несумірної фази кристалів LiKSO₄ та (NH₄)₂BeF₄.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

у вдосконаленні методики вирощування кристалів шляхом випаровування, що дозволило уникнути розтріскування кристалів при високотемпературних фазових переходах;

у виявленні нових кристалів (RbNH₄SO₄ і RbKSO₄), що володіють інверсією знака двопроменезаломлення в широких температурних і спектральних діапазонах та розширенні відомого ряду кристалів групи А₂ВХ₄ з цією особливістю;

у розробці методики дослідження впливу одновісних механічних тисків на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при одночасній зміні температури і довжини світлової хвилі;

у встановленні можливості зміни (розширення або звуження) температурного і спектрального діапазонів існування інверсії знака двопроменезаломлення кристалів при прикладанні одновісних тисків уздовж різних кристалофізичних напрямів;

в обгрунтуванні очікуваних структурних змін кристалічної гратки при фазовому переході в кристалі RbNH₄SO₄ на основі баричної залежності температури фазового переходу;

у побудові температурно-спектрально-баричних діаграм точок інверсії знака двопромене-заломлення кристалів і розробці на їх основі ідеї кристалооптичних датчиків тиску; у розширенні кола матеріалів для кристалооптичних датчиків температури.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі, з'ясування напрямів дисертаційної роботи та обговорення результатів досліджень виконані разом з науковим керівником, професором кафедри експериментальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка, доктором фіз.-мат. наук М.О.Романюком, а також - з доцентом цієї ж кафедри, кандидатом фіз.-мат. наук В.Й.Стадником. У процесі виконання дисертаційної роботи здобувач виготовив установку для вимірювання впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при температурах, вищих кімнатної, виростив кристали та підготував зразки для досліджень, одержав експериментальні результати, виконав їх обробку. Синтез і вирощування кристалів, вимірювання температурних та спектральних залежностей показників заломлення і двопроменезаломлення, дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості при температурах Т<300 К було проведено в лабораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка. Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при Т>300 К проведені в Інституті фізичної оптики.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

XIV Українській школі-семінарі “Спектроскопія молекул та кристалів” (Україна, Харків, 10-16 травня, 1993 р.);

Українсько-польській і східно-європейській школі-семінарі по фізиці сегнетоелектриків (Україна, Ужгород, 18-24 вересня, 1994 р.);

міжнародній конференції з оптичних діагностичних матеріалів (Україна, Київ, 11-13 травня, 1995 р.);

міжнародній конференції до 150-річчя від дня народження І.Пулюя (Україна, Львів, 23-26 травня, 1995 р.);

XXII міжнародній школі по сегнетоелектриці (Польща, Кудова Здруй, 16-20 вересня, 1996 р.);

Першій Українській школі-семінарі з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (Україна, Львів, 26-28 серпня 1999 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 наукову працю, серед яких 11 статей у профільних наукових журналах і 10 тез доповідей у збірниках наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести основних розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота містить 139 сторінок друкованого тексту, 60 рисунків, 8 таблиць та перелік літературних джерел із 125 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

спектральний баричний кристал фазовий

У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету роботи, її наукову і практичну цінність.

У першому розділі подано короткий опис явища інверсії знака двопроменезаломлення в кристалах та літературний огляд фізичних властивостей об'єктів дослідження.

Відмічено, що у кристалах LiKSO₄ температури і характер ФП точно не встановлені, а відмінності числових значень оптичних констант пояснюються природою зразків, їхньою

передісторією, часовим інтервалом вимірювань, доменною структурою.

Проаналізовано зміну оптико-фізичних властивостей досліджуваних кристалів у районі ізотропної точки. В кристалі LiKSO₄ температурний хід точки інверсії знака двопроменезаломлення не залежить від знака зміни температури зразка. Кристал (NH₄)₂BeF₄ має дві ізотропні точки: для області спектра 400-1000 нм температурне положення низькотемпературної ізотропної точки (Т=76 К) практично не залежить від довжини хвилі (dl₀/dT®µ), в області 200-400 нм її спектральне положення має слабку температурну залежність, а температурно-спектральна залежність одновісного стану оптичної індикатриси в районі 309 К змінює знак похідної dl₀/dT при l=500 нм. В кристалі К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O при Т=418 К для l=632,8 нм виявлено ізотропну точку, яка при пониженні температури рухається в довгохвильову область спектра.

Встановлено, що відомості про п'єзооптичні властивості кристалів типу А₂ВХ₄ є малочисельні і практично відсутні дані про температурні і спектральні залежності п'єзооптичних констант інших досліджуваних кристалів.

У другому розділі описано методики вирощування й установки кристалів та досліджень їх оптичних властивостей, в т.ч. у полі механічних напруг.

Кристали RbNH₄SO₄ та RbКSO₄ були отримані з водного розчину методами випаровування і пониження температури і мали добре розвинуту огранку. Орієнтація кристалів проводилась за їх огранкою з використанням методу погасання та коноскопічних картин. Встановлено, що вони належать до ромбічної сингонії, імовірна група mmm; вважалось, що в парафазі (ПФ) параметри гратки a<c<b (N_xзза, N_yззb, N_zззc).

Описано методики дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення методом Обреїмова та двопроменезаломлення інтерференційним методом. Поляризоване світло отримували за допомогою призм Глана-Фуко.

Детально описано оригінальну методику дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів: описані спеціальні приставки до кріостата і до високотемпературної пічки, що дозволяють стискати кристал з допомогою набору каліброваних вантажів до напруг s=200 бар. Вимірювання двопроменезаломлення проводилося за зміною інтерференційної картини, залежної від теплового і механічного полів:

Dn(T, s)=k(T, s). l /d(T, s).

Змінюючи один із параметрів (Т або s) при фіксованому іншому, за зміщенням екстремумів к(Т, s) інтерференційної картини можна однозначно визначити температурну чи баричну залежність двопроменезаломлення Dn.

У видимій області спектра точку інверсії знака двопроменезаломлення встановлювали і контролювали за формою коноскопічної фігури, в ультрафіолетовій - за зміщенням смуги інтерференції порядку к=0.

П'єзооптичні константи розраховано на основі експериментально виміряних індукованих приростів двопроменезаломлення dDn_k за формулою:

¶(dDn_k)/¶s_m = p^o_km = p^*_km - 2Dn_ks_km або p^*_km = p^o_km + 2Dn_ks_km,

де p^o_km - комбіновані п'єзооптичні константи, s_km - коефіцієнти пружної податливості.

Константи формули Зельмейєра розраховано за наявними програмами.

У третьому розділі представлені результати дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення і двопроменезаломлення для трьох кристалофізичних напрямків кристалів RbNH₄SO₄ та RbKSO₄ в області 250-850 нм і практично в усьому температурному діапазоні існування цих кристалів (77-820 К).

Встановлено, що в спектральному діапазоні 300-800 нм дисперсія показників заломлення n_i(l) кристалів RbNH₄SO₄ i RbKSO₄ нормальна (i=X, Y, Z) і добре описується двоосциляторною формулою Зельмейєра:

n_i²(l) = 1 + (B_il²_oil²)/(l²-l²_oi) + (B_i^?l²₀₂l²)/(l²-l²₀₂),

де константи В_і, В_і^ў, l₀₁, l ₀₂ залежні від температури.

На основі експериментальних залежностей n_i(l) розраховані електронна поляризовність a _i і питомі рефракції R_i досліджуваних кристалів:

(n_i-1)/(n_i²+2)=4pN₀ a_i /3=(r/m)R_i,

Порівняння параметрів оптичної індикатриси кристалів RbNH₄SO₄ з ізоморфними кристалами Rb₂SO₄ і (NH₄)₂SO₄ показало наступні зміни при катіонному заміщенні: заміна (NH₄)⁺®Rb⁺ приводить до зростання показників заломлення в середньому на (3...5)^.10^-3, зміщення l_ох приблизно на 7 нм в сторону коротких, а l_оz - на 3 нм в сторону довгих хвиль, при цьому електронна поляризовність зростає на (0,2...0,3)^.10^-24 см³, а питома рефракція - на 0,3...0,7 см³. Заміна Rb⁺®NH₄⁺ веде до зменшення n_i на (3...6)^.10^-3, l_оі зміщається в сторону коротших довжин хвиль на 4...7 нм, електронна поляризовність і питома рефракція дещо зменшуються (на (0,03...0,07)^.10^-24 см³ і 0,005...0,01 см³, відповідно).

Розраховані повні рефракції кристалів RbNH₄SO₄ і RbKSO₄ добре узгоджуються з сумою питомих рефракцій їх компонент і показують, що катіони K⁺ дають вклад 15%, Rb⁺ -21% і NH₄⁺ - 22% в загальну рефракцію розгляданих кристалів.

Температурні зміни показників заломлення кристалів RbKSO₄ дали змогу виявити два фазові переходи 1-го роду при Т=115,5 К і Т=820 К.

При пониженні температури показники заломлення кристалів RbNH₄SO₄ збільшуються і при Т=120 К має місце зміна нахилу кривих n_i(Т), що свідчить про ФП 2-го роду.

Виявлено точки інверсії знака двопроменезаломлення у кристалах RbNH₄SO₄ і RbKSO₄. У кристалі RbNH₄SO₄ така точка спостерігається для осі Y при 189 К і 633 нм, а її температурна чутливість ¶l/¶Т виявилась дуже високою_. При цьому мають місце такі зміни коноскопічних фігур: при кімнатній температурі для довжини хвилі l=633 нм кут між оптичними осями дорівнює 41°30?, для 189 К кристал стає одновісним, при нижчих температурах кут між осями знову збільшується, але оптичні осі з площини XY переходять у площину YZ. У кристалах RbKSO₄ існують три ізотропні точки у всіх трьох кристалофізичних напрямках зразка.

У четвертому розділі представлені результати дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості досліджуваних кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄, RbNH₄SO₄ та К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O.

Встановлено наступну закономірність: двопроменезаломлення кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄, RbNH₄SO₄ і К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O достатньо чутливе до основісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей; одновісний механічний тиск уздовж взаємно-перпендикулярних кристалофізичних осей s_i,m приводить до різних за знаком і величиною змін Dn_j (i, j, m = 1, 2, 3).

Для кристала LiKSO₄ спектральна залежність двопроменезаломлення свідчить про те, що в районі точки ІЗД dDn_x/ds_z є значним, а при віддаленні від неї воно виходить на насичення.

Для кристала (NH₄)₂BeF₄ виявлено, що при стисненні зразка вздовж осі більшого показника заломлення (s_ii ккX ккN_g) d(Dn_z)>0, при стиску вздовж осі меншого показника заломлення (s_ii ккU ккN_g) d(Dn_z)<0. Для напрямку Y, який в кристалі (NH₄)₂BeF₄ відповідає інверсії знака двопроменезаломлення, також виконуються раніше зроблені висновки відносно знаків приросту dDn_y і d(dDn_y/dl), однак dDn_y/dl має різні знаки для lі500 нм і lЈ500 нм. Зміщення кривих Dn_y(s) вверх або вниз відносно кривої ненавантаженого зразка веде до розширення (s_x) або звуження (s_z) спектрального інтервалу між точками інверсії знака двопроменезаломлення Dn_y=0, що відповідає одній температурі зразка.

Лінійними виявились температурні залежності Dn_і вільних та затиснутих зразків К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O.

Виявлено баричні зміщення температури ФП досліджуваних кристалів. Для кристалів (NH₄)₂BeF₄ встановлено, що під дією одновісного тиску s_х і s_у ФП зміщуються в сторону низьких температур (dТ_і/ds_х = - 0,011 К/бар і dТ_с/ds_х = - 0,016 К/бар, dТ_і/ds_y = - 0,009 К/бар і dТ_с/ds_у = - 0,012 К/бар), а під дією одновісного тиску s_z - в сторону високих температур (dТ_і/ds_z = 0,003 К/бар і dТ_с/ds_z = 0,005 К/бар). При цьому сумарні коефіцієнти зміщень точок ФП під дією всіх одновісних тисків вздовж головних кристалофізичних напрямків рівні: dТ_і/ds = - 0,017 К/бар і dТ_с/ds = - 0,023 К/бар. У загальному, точки ФП кристалів (NH₄)₂BeF₄ зміщуються в сторону низьких температур, що узгоджується з характером впливу гідростатичного тиску на їх ФП.

Показано, що одновісні тиски s_х і s_у ведуть до розширення НФ і переміщення температурного інтервалу існування останньої в сторону нижчих температур. Одновісний тиск s_z веде до звуження НФ. Шляхом лінійної екстраполяції прямих Т_і(s_z) встановлено, що при тисках s_z~2,3 кбар і Т~190 К в кристалі (NH₄)₂BeF₄ зникне несумірна фаза і буде мати місце ФП парафаза - сегнетоелектрична фаза.

Встановлено наступні баричні коефіцієнти зміщення температур ФП для кристала LiKSO₄: dT_і/ds_z=0.07 K/бар і dT_c/ds_z =0.12 K/бар. Шляхом екстраполяції лінійних залежностей Т_і,с(s_z) визначено, що при тиску s_z~1.4 кбар в кристалі LiKSO₄ зникає НФ і при Т=353 К виникає "потрійна точка" - ФП кімнатнотемпературна - сегнетоеластична фаза. Механічний одновісний тиск вздовж осі Y приводить до зміщення ФП в область низьких температур зі швидкостями dT_c/ds_y = - 0.045 K/бар і dT_і/ds_y = - 0.107 K/бар, так що НФ кристала LiKSO₄ розширюється.

Для кристала RbNH₄SO₄ загальні особливості такі: зміни Dn_i пропорційні до температури, при переході через точку ФП (приблизно 120 К) змінюється знак похідної

а=¶Dn_i/¶T

(a<0 при T>120 K, a>0 при T<120 K), модуль а у фазі ІІ більший, ніж у фазі І, а в точці ФП спостерігається злом на залежності а(Т), під впливом тиску зміщується точка ФП в область низьких температур (тиски s_x та s_y) або в область високих температур (тиск s_z). “Сумарний” (гідростатичний) коефіцієнт зміщення:

¶T_c/¶p = T_c/¶s_i = - 0,015 K/бар.

Отримані результати пов'язуються з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру кристалів: тиски s_z сприяють повертанню тетраедрів BeF₄^2- чи SO₄^2- і тим самим зміщують ФП в сторону високих температур, тиски s_у і s_х “гальмують” повертання цих тетраедрів і тим самим зміщують ФП в сторону низьких температур.

Аналогічно пояснюються баричні зміщення точок ФП у кристалах RbNH₄SO₄.

У п'ятому розділі представлені результати досліджень комбінованих п'єзооптичних коефіцієнтів кристалів у широкому спектральному (300...750 нм) і температурному (77...500 К) діапазонах, що охоплюють області фазових переходів та ізотропних точок.

Для кристала LiKSO₄ встановлено, що p⁰_im змінюється з температурою нелінійно; в парафазі і в несумірній фазі - зменшується, а в сегнетоеластичній фазі (СФ) - збільшується. При Т=185 К виявлено різку стрибкоподібну зміну p⁰₁₃. Значна аномалія p⁰₁₃ в точці Т_с обумовлена зміною індукованого двопроменезаломлення за рахунок виникнення спонтанної деформації та солітонної структури кристала. У точці інверсії знака Dn_i підвищується не тільки симетрія тензора ІІ-го рангу, який описує оптичну індикатрису, але й симетрія тензора п'єзооптичних констант (IV ранг), який описує зміни двопроменезаломлення під дією одновісного тиску.

Розраховано спектральні і температурні залежності абсолютних п'єзооптичних констант кристалів (NH₄)₂BeF₄ шляхом розв'язку системи рівнянь типу:

dDn_і = (Dn_j - Dn_k) = - 1/2 [n³_j p_jm - n³_k p_km]s_m

з дев'ятьма невідомими p_jm, де dDn_і - зміна двопроменезаломлення вздовж осі і при одновісному стиску вздовж кристалофізичної осі m; p_jm - абсолютні п'єзооптичні константи, n_j, n_k - абсолютні значення показників заломлення. Характер аномалій при ФП ПФ-НФ і НФ-СФ (зміна нахилу кривих p_im(Т)) відповідає характеру аномальних змін показників заломлення і двопроменезаломлення при даних ФП і обумовлений параметром порядку НФ, спонтанною деформацією і спонтанною поляризацією СФ.

Проведені вимірювання для кристалів RbNH₄SO₄ показали, що температурні зміни p^o_im практично лінійні у полярній та параелектричній фазі. При ФП змінюється знак та абсолютна величина ¶p^o_im/¶Т. Максимальне значення має константа p^o₂₃, так що стиск вздовж осі Y суттєво впливає на компоненти у перпендикулярній площині, що узгоджується з відомим упорядкуванням тетраедрів під час ФП.

У шостому розділі приведені температурно-спектрально-баричні діаграми ізотропного стану і пропонується практичне використання даних кристалів.

Для кристала (NH₄)₂BeF₄ виявлено, що при l=const одновісний тиск уздовж осі Z суттєво зміщує точку ІЗД в сторону низьких температур. При тисках s_z ~100 бар точка зміни знака похідної ¶l₀/¶Т діаграми l₀(Т) (l=500 нм) зміщується на 4 К (Т=306 К) в сторону нижчих температур, тиск s_х зміщує ізотропну точку в сторону високих температур. При Т=const одновісний тиск s_х зміщує l₀₁ в довгохвильову область спектра, а l₀₂ - в короткохвильову. Одновісний тиск уздовж осі Z зміщує точки ІЗД в різні сторони, але протилежні до зміщень, викликаних s_х.

У напружених зразках LiKSO₄ точка ІЗД при постійній температурі зміщується в короткохвильову ділянку спектра (тиск уздовж осі Z), притому більш чутливими до тисків є довгохвильові (вони ж і низькотемпературні) частини діаграми, і з ростом тиску ця чутливість дещо зменшується. Одновісний механічний тиск уздовж осі Y зміщує температурно-спектральну діаграму ІЗД у протилежну сторону: при постійній температурі точка інверсії зміщується в довгохвильову ділянку спектра. В даному випадку більш чутливими до напруг є короткохвильові (вони ж і високотемпературні) частини діаграми.

У кристалах RbNH₄SO₄ одновісні механічні тиски s_x і s_z також ведуть до зміщення точки ІЗД, відповідно, в сторони нижчих і вищих температур, принципово не змінюючи самого характеру залежності l₀(Т). При цьому коефіцієнти спектрального зміщення ізотропної точки для двох областей l₀(Т) суттєво не відрізняються.

Побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми одновісного стану кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄, RbNH₄SO₄ та К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O, які дають можливість однозначно визначати ізотропний стан даних кристалів при незмінному одному з параметрів s, l чи Т.

У роботі для відомого поляризаційно-оптичного методу вимірювання температури запропоновано як робочий матеріал кристал RbNH₄SO₄. Аналіз температурно-спектральних змін Dn_і і поведінка інверсії знака двопроменезаломлення показують, що найбільш придатним температурним діапазоном використання кристала RbNH₄SO₄ в якості кристалооптичного датчика температури є діапазон 150…500 К, оскільки температурні зміни Dn тут майже лінійні, а спектральним діапазоном - 300…800 нм, оскільки дисперсія Dn тут нормальна і практично не залежить від l.

Запропоновано пристрій для вимірювання одновісних тисків на основі баричної залежності інверсії знака Dn_і, подібно до того, як для задання і вимірювання температури використовують температурну залежність її спектрального положення.

Виходячи з відомої залежності спектрального положення ізотропної точки від тиску при фіксованій температурі датчика, за формою коноскопічної фігури, характерної для зразка одновісного кристала, перпендикулярного до оптичної осі, і за мінімумом фотоструму знаходять шукану величину s_j. Проаналізовано чутливість датчика і його переваги над іншими. В якості кристалооптичного давача тиску пропонується використовувати кристал (NH₄)₂BeF₄.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1.Вперше вирощено із водного розчину оптично якісні кристали RbKSO₄ і RbNH₄SO₄.

2.Досліджено температурні (77-820 К) та спектральні (250-850 нм) залежності головних показників заломлення і двопроменезаломлення кристалів RbKSO₄ та RbNH₄SO₄. Встановлено, що в розгляданій області спектра і температур дисперсія n_i(l) нормальна і добре описується двоосциляторною формулою Зельмейєра. Виявлено одну ізотропну точку в кристалі RbNH₄SO₄ і три ізотропні точки в кристалі RbKSO₄. Розраховані рефракції, електронні поляризовності, параметри ефективних ультрафіолетового й інфрачервоного осциляторів. На основі температурних залежностей n_i(Т) і Dn_i(Т) виявлено фазові переходи 1-го роду при Т=116 К і Т=820 К в кристалах RbKSO₄ і фазовий перехід 2-го роду при Т=120 К в кристалах RbNH₄SO₄.

3.Встановлено, що ізоморфна заміна у підгратці катіонів кристалів К₂SO_4, Rb₂SO₄, (NH₄)₂SO₄ приводить до зміни температурного і спектрального положення та протяжності області ізотропного стану цих кристалів, а величина і знак змін визначаються хімічною природою та процентним вмістом катіонів, що вводяться в основну матрицю.

4.Досліджено вплив одновісних механічних тисків на двопроменезаломлення кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄, RbNH₄SO₄ і К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O; встановлено, що Dn_i достатньо чутливе до одновісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей; показано, що одновісний механічний тиск уздовж взаємноперпендикулярних кристалофізичних осей s_j,m приводить до різних за знаком і величиною змін Dn_i (i, j, m = 1, 2, 3);

5.Встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичних осей приводить до зміщення точок фазових переходів у сторону високих або низьких температур; баричні зміщення температур ФП пов'язують з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру: s_z сприяють обертанню тетраедрів BeF₄^2- чи SO₄^2- і підвищують температуру ФП, тиски s_у і s_х гальмують такі рухи і тим самим понижують температуру ФП; за характером баричних зміщень точки ФП в кристалі RbNH₄SO₄ передбачено поворот тетраедра SO₄^2- навколо кристалофізичної осі Y.

6.Виявлено зникнення несумірної фази в кристалах LiKSO₄ та (NH₄)₂BeF₄ при дії тисків s_z.

7.Досліджено спектральні (300-700 нм) і температурні (77-300 К) зміни комбінованих і абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNH₄SO₄, LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄ і К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O. Встановлено, що в точці інверсії знака Dn_i підвищується симетрія тензора п'єзооптичних констант або зменшується його анізотропія.

8.Показано, що для кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF₄ сумарний п'єзооптичний ефект у несумірній фазі визначається "істинним" п'єзооптичним ефектом і вторинними вкладами від параметрів порядку dDn_k/d(wr²) і спонтанної деформації dDn_k/dc^s. Розраховано коефіцієнти матриць абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNH₄SO₄ і (NH₄)₂BeF₄.

9.Досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки інверсії знака двопроменезаломлення кристалів LiKSO₄, (NH₄)₂BeF_4, К₂Ca(SO₄)₂^.H₂O і RbNH₄SO₄, побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми їх одновісного стану. Запропоновано новий матеріал (RbNH₄SO₄) для вимірювання температури за інверсією знака двопроменезаломлення в діапазоні 150-500 К.

10.Запропоновано пристрій для вимірювання одновісних тисків на основі баричної залежності інверсії знака двопроменезаломлення кристала (NH₄)₂BeF₄.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Курляк В.Ю. RbNH₄SO₄ - новый кристалл с инверсией двупреломления //Опт. и спектр.-1994.-Т.77, №5.-С.830-832.

2.М.О.Романюк, В.Й.Стадник, Р.С.Брезвін. Вплив тиску на оптичні властивості кристалів LiKSO₄ //Укр. фіз. журнал.- 1995. -Т.40, №10.-С.1068-1070.

3.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С. Пьезооптические константы кристаллов LіKSO₄ в несоразмерной фазе //Опт. и спектр.-1995.-Т.79, №6.-С.714-717.

4.Романюк Н.А., Стадник В.И., Брезвин Р.С., Кардаш В.И. Инверсия двупреломления в кристаллах RbNH₄SO₄ и RbKSO₄ //Кристаллография.-1996.-Т.41, №5.-С.882-886.

5.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Курляк В.Ю. Механически индуцированные изменения двупреломляющих свойств кристаллов (NH₄)₂BeF₄ //Опт. и спектр.-1996.-Т.81, №4.-С.667-669.

6.Romanjuk M.O., Stadnyk V.Y., Brezvin R.S. Optical-electron parametrs of RbNH₄SO₄ crystals //Ferroelectrics.-1997.-V.192, №1-4.-Р.203-207.

7.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С. Новый оптический способ измерения давления с использованием инверсии двупреломления кристалла (NH₄)₂BeF₄ //ЖПС.-1997.-Т.64, №3.-С.426-429.

8.Романюк М.О., Стадник В.Й., Брезвін Р.С. Деформація оптичної індикатриси (NH₄)₂BeF₄ під дією одновісного тиску //Укр. фіз.журнал.-1997.-Т.42, №3.-С.334-337.

9.Stadnyk V.Y., Brezvin R.S., Romanjuk M.O. Optical method of pressure measurements using the birefringence inversion //Functional materials.-1997.-V.4, №1.-P.97-99.

10.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Кардаш В.И. Механически индуцированное изменение двупреломления кристаллов LiKSO₄ //Кристаллография.-1997.-Т.42, №4.- С.720-722.

11.Андрієвський Б.В., Брезвін Р.С., Романюк Г.М. Баричні зміни оптичної індикатриси кристалів K₂Ca(SO₄)₂^.H₂O у районі інверсії знака двопроменезаломлення //Укр. фіз. журнал.-2000.-Т.45, №6.-С.701-704.

Размещено на Allbest.ru