Стохастичний режим модульованої структури в неспівмірній фазі кристалів [N(CH3)4]2MeCl4 (Me=Cu, Zn, Fe)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Львівський національний університет імені Івана Франка

УДК 537.94; 548.0:535

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Стохастичний режим модульованої структури в неспівмірній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe)

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Семотюк Остап Володимирович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі нелінійної оптики Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Свелеба Сергій Андрійович, провідний науковий співробітник кафедри нелінійної оптики Львівського національного університету імені Івана Франка.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Шпотюк Олег Йосипович, заступник генерального директора з наукової роботи Науково-виробничого підприємства “Карат”, м. Львів

доктор фізико-математичних наук, професор Різак Василь Михайлович, завідувач кафедри твердотільної електроніки Ужгородського національного університету, м. Ужгород

Захист відбудеться 26.02.2010 року о 15-30 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09 у Львівському національному університеті імені Івана Франка за адресою 79005 м. Львів, вул. Кирила і Мефодія, 8, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися у Науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка за адресою 79005 м. Львів, вул. Драгоманова, 5.

Автореферат розісланий 25.01.2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, професор Павлик Б.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження. За останні роки з'ясовано, що фізичні моделі, які описують функціоналом енергії, мають особливу поведінку поблизу межі переходу з неспівмірної фази в співмірну. Разом зі співмірною і неспівмірною структурами в них можуть існувати деякі хаотичні структури з випадковими відстанями між солітонами за урахування взаємодії з сусідами (модель Френкеля-Конторової для ланцюга атомів у періодичному потенціалі, анізотропна модель Ізінга, дискретна модель Пайєрлса).

Аналіз розв'язку нелінійного рівняння мінімізації енергії на фазовій площині (координата-імпульс) засвідчив, що за достатньо великих значень анізотропного члена поряд зі звичайними гладкими траєкторіями виникають стохастичні траєкторії, що відповідають хаотичним структурам. Ця структура, як можна уявити, складається з фрагментів співмірних структур з різними періодами, що призводить до розмиття відповідних брегівських піків на дифракційній картині. Середній по всьому хаотичному ансамблю період може бути неспівмірний з періодом вихідної фази кристала. У цих системах хвильовий вектор надструктури може змінюватися не тільки, скажімо, між співмірними значеннями (“чортові сходинки”), а й у іншому _ стохастичному режимі. В стохастичному режимі він може набувати ірраціональних значень.

Дослідження кристалів з неспівмірними (НС) фазами об'єднує низку перспективних ефектів, які можна використовувати практично. До них належать: розупорядкованність ґратки; прояви у значному температурному інтервалі критичних явищ, що відповідають мікроскопічним моделям з тими ж універсальними рисами, що й реальні системи; підвищений вплив дефектів ґратки на фізичні властивості.

Сьогодні є велика кількість теоретичних розробок, що пояснюють властивості неспівмірних фаз у стохастичному режимі. Вони ґрунтуються як на феноменологічній теорії, так і на мікроскопічних моделях. Зокрема, теоретично передбачено, що еволюція неспівмірної хвилі модуляції за умови змін температури може відбуватися через проміжні довгоперіодичні співмірні стани, де співвідношення довжини хвилі модуляції до параметра кристалічної ґратки є числом раціональним. Існування просторової дисперсії спричинює низку якісно нових ефектів, які визначають за допомогою співвідношення d/, де d _ період неоднорідності. Але досі не вистачає експериментальних даних, за допомогою яких можна було б перевірити теоретичні припущення і вказати напрями розвитку досліджень еволюції структурної модуляції.

З огляду на це, актуальність дослідження визначено важливістю вирішення проблем фізики неспівмірних структур, пов'язаних з вивченням різних режимів неспівмірної модуляції, просторової модуляції кристалічної структури і перспективами прикладного застосування неспівмірних структур у різних галузях електроніки, у тому числі в сенсорній і комп'ютерній техніці.

Неспівмірну надструктуру вивчали багато груп науковців. Для її дослідження застосовано різноманітні методи, в тому числі рентгеноструктурний аналіз, розсіяння нейтронів, електронний парамагнітний резонанс, ядерний квадрупольний резонанс, діелектричні вимірювання та ін. Водночас, багато явищ і процесів, що відбуваються у неспівмірних фазах, вимагають свого вивчення та пояснення. Це, зокрема, стосується тих ефектів, що відбуваються за умови стохастичного режиму неспівмірної структури, а також властивостей, зумовлених існуванням багатохвильового стану надструктури. Важливим методичним аспектом роботи є виконання досліджень оптичними методами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у лабораторії фізики фазових переходів кафедри нелінійної оптики Львівського національного університету імені Івана Франка в рамках робіт за проектами Фо-590Б “Отримання нових сегнетоелектричних та сегнетоеластичних кристалів групи A₂BX₄ та вивчення їх оптико-фізичних властивостей” (номер держреєстрації 7.01.06/070), Фо-95Б “Термохромні та неспівмірні фазові переходи у фероїках” (номер держреєстрації 0101U001426), Со-227Ф “Просторово-модульовані стани у фероїках” (номер держреєстрації 0104U002133), Со-107Ф “Еволюція модульованої структури у фероїках і споріднених матеріалах”, українсько-словенський проект науково-технічного співробітництва “Динаміка модульованої структури в діелектричних кристалах в умовах сильного пінінгу” М/116-2007.

Об'єкт дослідження _ стохастичний режим НС структури, що виявляється в температурно-часових ефектах у НС фазах кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn, Co, Fe).

Предмет дослідження _ багатохвильовий стан НС структури.

Мета роботи полягає у визначенні закономірностей еволюції неспівмірної надструктури в стохастичному режимі у діелектричних кристалах.

Мета дослідження передбачає виконання таких завдань:

- дослідити температурну поведінку двозаломлення в околі фазових переходів, за умови існування неспівмірної модуляції у кристалах [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂FeCl₄ та проаналізувати її в межах феноменологічної теорії;

- дослідити динаміку неспівмірно модульованої надструктури в багатохвильовому стані кристалів [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂FeCl₄;

- дослідити температурну залежність двозаломлення, повороту оптичної індикатриси, теплоємності, теплопровідності, хвильового вектора неспівмірності в стохастичному режимі неспівмірної структури;

- використовуючи наближення сталої амплітуди, виконати феноменологічний опис температурної залежності двозаломлення за умови існування стохастичного режиму неспівмірної структури.

Досягнення поставленої мети забезпечено використанням прецизійних, апробованих методик дослідження: приросту оптичного двозаломлення методом Сенармона, повороту оптичної індикатриси, теплопровідності, контролем та стабілізацією температури за допомогою автоматизованої установки. Аналіз отриманих даних виконано на основі феноменологічної теорії з використанням числових методів та з допомогою стандартних комп'ютерних програм.

Наукова новизна полягає в оригінальності головних результатів дослідження, а саме:

1. З'ясовано, що в неспівмірній фазі є багатохвильовий стан надструктури, який зумовлений хвилею суперпозиції наявних хвиль модуляцій у всьому об'ємі кристала або блочною структурою кристала з різними хвильовими векторами.

2. Вперше експериментально виявлено стохастичний режим неспівмірної фази в кристалах

[N(CH₃)₄]₂CuCl₄

[N(CH₃)₄]₂ZnCl₄

[N(CH₃)₄]₂FeCl₄.

3. Встановлено, що для хаотичної фази характерна зміна хвильового вектора модуляції подібно до неспівмірної фази, обмеженої двома співмірними довгоперіодичними фазами, точкові групи симетрії яких є підгрупами симетрії вихідної фази.

4. Експериментально виявлено, що за умови існування хаотичної фази зростання коефіцієнта теплопровідності зумовлене вкладом в теплоперенос м'яких оптичних фононів, внаслідок збільшення їхньої групової швидкості.

Практичне значення одержаних результатів. Досліджені фізичні властивості кристалічних структур з неспівмірною модуляцією відкривають широкі можливості їхнього практичного застосування у поліфункціональних приладах квантової електроніки, зокрема, як високочутливі давачі стану навколишнього середовища та для створення дифракційних ґраток з керованим періодом.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом досліджень, які автор провів на кафедрі нелінійної оптики Львівського національного університету імені Івана Франка. Під керівництвом провідного наукового співробітника С.А. Свелеби вибрано напрям досліджень, поставлено ключові завдання.

Спільно з провідним науковим співробітником С.А. Свелебою та асистентом І.М. Катеринчуком вирощено кристали [N(CH₃)₄]₂МеCl₄ (Me = Cu, Zn, Со, Fe) з водних розчинів солей [N(CH₃)₄]Cl і MeCl₂.

Разом із асистентом І.М. Катеринчуком та доцентом Ю.М. Фургалою виконано автоматизацію методу Сенармона, контролю та стабілізації температури, автоматизацію досліджень теплопровідності кристалів.

Більшу частину температурних, часових та польових досліджень оптичного двозаломлення та залишкової інтенсивності в досліджуваних кристалах автор виконав самостійно. Разом з провідним науковим співробітником С.А. Свелебою, професором І.І. Половинком обговорено низку результатів, зроблено феноменологічні розрахунки та чисельний аналіз температурних залежностей двозаломлення, хвильового вектора надструктури, теплоємності та теплопровідності.

Використовуючи сукупність експериментальних даних, автор з'ясував природу багатохвильового стану неспівмірної фази досліджуваних кристалів. У спільних публікаціях, що відображають головні результати дисертації, внесок автора переважає і полягає в наступному:

- для статей [1 _ 4] _ у формулюванні завдання; проведенні експерименту; аналізі та інтерпретації отриманих результатів; участі у написанні статей;

- для статей [5 _ 6] _ у аналізі та інтерпретації отриманих результатів, написанні статей;

- для праць [7 _ 20] _ у формулюванні завдання; проведенні експерименту за участі співавторів; аналізі, інтерпретації, представленні отриманих результатів; у написанні праць;

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, викладених у дисертації, виголошено на засіданні Першої Української школи-семінару з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (Львів, Україна, 1999); VI міжнародному семінарі з фізики і хімії твердого тіла ISPCS'2000 (Львів - Любінь_Великий, Україна, 2000); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2001, 2006, 2008 (Львів); IX^th international seminar on physics and chemistry of solids (Zloty Potok, Czestochowy, Polska, 2003); Міжнародній конференції “Фізика невпорядкованих систем'' (Львів, Україна, 2003); X-th international seminar on physics and chemistry of solids (Lviv, Ukraine, 2004); Ювілейній науковій конференції, присвяченій 25-річчю кафедри нелінійної оптики (Львів, Україна, 2004); XI-th International seminar on physics and chemistry of solids ISPCS'05 (Zloty Potok, Czestochowy, Polska, 2005); Second International Workshop “Relaxed, nonlinear and acoustic optical processes; materials-growth and optical properties” RNAOPM'2005 (Lutsk-Shatsk Lakes, Ukraine, 2005); VIII Ukrainian-Polish and III East-European Meeting on Ferroelectrics Physics (Lviv, Ukraine, 2006); XIV-th International seminar on physics and chemistry of solids ISPCS'08 (Lviv, 1_4 June 2008) .

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 наукових праць, з яких 6 статей у реферованих журналах та 14 праць у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та бібліографії. Загальний обсяг дисертації 149 сторінок машинописного тексту, 43 рисунки і одна таблиця (машинописного тексту основної частини дисертації _ 130 сторінок). Бібліографія містить 141 найменування.

Основний зміст дисертації

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання роботи, новизну і практичне застосування отриманих результатів, подано інформацію про опублікування результатів дисертаційного дослідження та особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Фізичні властивості неспівмірних структур” на прикладі моделі Френкеля-Конторової для ланцюжка атомів у зовнішньому періодичному потенціалі розглянуто теоретичний опис неспівмірної структури. Показано, що за умови зменшення “жорсткості” цієї системи разом з регулярними (співмірними) розв'язками у цій системі виникають стохастичні розв'язки, що відповідають хаотичній фазі. Розглянуто феноменологічну теорію неспівмірної фази, де вказано три режими її існування: синусоїдальний, солітонний і стохастичний. В стохастичному режимі неспівмірній фазі характерне існування деякої хаотичної структури з випадковими відстанями між солітонами. За феноменологічною теорією, поява стохастичного режиму неспівмірної фази зумовлена наближенням сили взаємодії солітон_дефект до сили взаємодії солітон_солітон. За цієї умови в НС фазі кристалів групи A₂BX₄ виникає багатохвильовий стан. Багатохвильовий стан кристала характеризується існуванням декількох хвиль модуляції і їхньої суперпозиції у всьому об'ємі кристала або розбиттям кристала на просторові області з різними хвильовими векторами.

У розділі також коротко охарактеризовано об'єкти дослідження, якими є кристали [N(CH₃)₄]₂МеCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe), що володіють неспівмірними фазами. Відзначено, що [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ є типовим сегнетоеластиком, а [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ є сегнетоелектриком.

У другому розділі “Об'єкти та методики досліджень” описано особливості отримання та підготовки кристалів до дослідження і методики дослідження температурних та часових залежностей оптичного двозаломлення, коефіцієнта теплопровідності, кута повороту оптичної індикатриси. Значну увагу приділено опису вимірювання температури та дослідженню електрооптичних петель гістерезису. Проаналізовано головні чинники, які впливають на точність перелічених експериментальних методик.

У третьому розділі “Динаміка неспівмірно модульованої структури в синусоїдальному, солітонному та стохастичному режимах її існування в кристалах

[N(CH₃)₄]₂ZnCl₄

[N(CH₃)₄]₂CuCl₄

[N(CH₃)₄]₂CoCl₄

досліджено переходи вихідна-неспівмірна, неспівмірна-співмірна, переходи між співмірними фазами та між метастабільними станами.

На підставі отриманих результатів встановлено величину критичного індекса в, який рівний 0,5. Це значення знаходиться в добрій кореляції з класичним значенням з теорії Ландау для фазового переходу другого роду. Температурні залежності величин (n_c))^1/2 та (рис 2) добре корелюють в температурному інтервалі, що відповідає синусоїдальному режиму надструктури. Отже, фазовий перехід з вихідної у “істинно” неспівмірну фазу (синусоїдальний режим) є фазовим переходом другого роду.

Вивчено ФП між метастабільними станами. В солітонному режимі НС фазу можна розглядати як температурну послідовність метастабільних станів - довгоперіодичних співмірних фаз. За цієї умови перехід від одного метастабільного стану до іншого проходить через проміжний за температурою інтервал, в якому відбуваються процеси зародження (при нагріванні) і анігіляції (при охолодженні) солітонів.

Виходячи з температурної залежності хвильового вектора неспівмірності, теплоємності кристала та коефіцієнта теплопровідності, цей перехідний за температурою інтервал можна розглядати як температурний інтервал фазових перетворень.

На підставі рентгеноструктурних досліджень неспівмірної структури кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ відомо, що перехід між метастабільними станами (співмірними довгоперіодичними фазами) є неперервним переходом (розмита “чортова драбина”). Хвиля густини дефектів через деформацію надструктури змінює динаміку солітонної структури, зумовлюючи появу додаткових низькочастотних коливань солітонної гратки під час переходу між метастабільними станами. Встановлено, що за умови, коли сила взаємодії між солітонами і дефектами та домішками наближається до сили взаємодії солітон-солітон, НС структура набуває стохастичного режиму, а перехід між метастабільними станами відбувається через проміжну хаотичну фазу. За цих умов переходи між співмірною довгоперіодичною - хаотичною фазою, і хаотичною - співмірною довгоперіодичною фазою, є неперервними фазовими переходами.

Вивчено особливості ФП між співмірними фазами. Записану в НС фазі хвилю густини дефектів, відповідно до рентгеноструктурних дос-ліджень кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, можна розглядати як просторову модульовану хвилю деформації надструктури. За умови існування хвилі густини дефектів фазовий перехід між співмірними (сегнетоелектрич-ною і сегнетоеластичною) фазами здійснюється через перехідний за температурою інтервал. Ці результати зіставлені з даними рентгеноструктурних досліджень кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ в сегнетоелектричній фазі за дії одновісного тиску, і свідчать про існування блочної структури кристалу, яка складається з фрагментів старої і нової фаз.

Беручи до уваги розглянуту динаміку модульованої структури між метастабільними станами, встановлено, що у солітонному режимі в температурному інтервалі довгоперіодичної співмірної фази простежуються подвійні петлі гістерезису, зумовлені переходом кристала з неоднорідного стану в однорідний та фазовими переходами між сусідніми довгоперіодичними фазами (рис. 7).

У четвертому розділі “Багатохвильовий стан неспівмірної фази кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂FeCl₄” вивчено фізичні властивості кристалів у стохастичному режимі.

З рентгеноструктурних досліджень [21] відомо, що для багатохвильового стану кристала характерне існування декількох хвиль модуляції в одному кристалографічному напрямі і внаслідок їхнього існування виникає хвиля суперпозиції в усьому об'ємі кристала.

За умови, коли періоди існуючих хвиль модуляцій (хвилі густини дефектів та хвилі надструктури) є близькими, то для хвилі їхньої суперпозиції може бути характерний період, який більший за період світлової хвилі, що виявляється у появі малокутового розсіювання світла. З розгляду поширення електромагнітних хвиль в неспівмірній фазі випливає, що вклад надструктури в двозаломлення пропорційний до співвідношення хвильових векторів. В температурному околі запису хвилі густини дефектів для хвилі суперпозиції характерний найбільший період, а при віддаленні від точки запису період її зменшується. Це зумовлює зростання величини глобального температурного гістерезису в температурному околі запису хвилі густини дефектів та зменшенні його при віддалені від Т_ст (рис. 8).

З дослідження температурних залежностей величини глобального температурного гістерезису встановлено, що суперпозиція хвиль модуляції існує у всьому температурному інтервалі солітонного режиму неспівмірної фази. стохастичний діелектричний кристал модуляція

Ренгеноструктурні дослідження засвідчують, що в НС фазі виникає багатохвильовий стан кристала, для якого характерне розбиття кристала на блоки, що мають різні хвильові вектори.

Беручи до уваги експериментальні та теоретичні роботи по зародженню та анігіляції НС надструктури, перехід від одного метастабільного стану до іншого може супроводжуватися розбиттям кристала на доменоподібні просторові області - виникнення хаотичної структури. Для стохастичного режиму НС фази характерне існування хаотичної фази з випадковими відстанями між солітонами.

Наведено результати досліджень особливостей температурної поведінки теплоємності в умовах існування хаотичної фази. Враховуючи температурну залежність двозаломлення та результати розрахунків теплоємності, встановлено, що у перехідному інтервалі між метастабільними станами виникає хаотична фаза. Просторовий розподіл солітонів у хаотичній фазі є випадковим і змінюється з часом, що виявляється у немонотонній “зубчатоподібній” поведінці залежності величини . За умови зростанням сили взаємодії солітон-дефект (F_sd) відбувається розширення інтервалу існування хаотичної фази. Ці результати порівняні з даними досліджень зародження та анігіляції солітонів з допомогою електронного мікроскопа і свідчать, що внаслідок взаємодії між “ядрами” (зародками), “ядрами” і солітонами, кристал розбивається на блоки, для яких характерні різні періоди надструктури.

Відомо [22], що розрахована заледність веде себе так, як теплоємність C_p. На підставі результатів досліджень поведінки теплоємності зроблено такі висновки:

· виявлено, що в умовах “в'язкої” взаємодії модульованої структури з дефектами у діелектричних кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ виникає стохастичний режим модульованої структури;

· за умови існування декількох хвиль деформації структури (хвиля густини дефектів) відбувається розбиття кристала на доменоподібну блочну структуру з різними хвильовими векторами НС модуляції.

Досліджено температурну поведінку хвильового вектора в хаотичній фазі. Беручи до уваги, що аномальну поведінку двозаломлення під час переходу між метастабільними станами за умови поширення світла в напрямку, перпендикулярному до осі модуляції, визначають хвильовим вектором надструктури, встановлено:

· для хаотичної фази характерна зміна хвильового вектора, притаманного НС фазі, обмеженій двома співмірними фазами з точковими групами симетрії, що є підгрупами симетрії вихідної фази (рис.10);

· температурна еволюція хвильового вектора модуляції та теплоємності кристала в хаотичній фазі свідчить про неспівмірний її характер.

У п'ятому розділі “Теплопровідність кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ та [N(CH₃)₄]₂СоCl₄ в умовах стохастичного режиму неспівмірної фази” вивчено температурну поведінку теплопровідності даних кристалів. Оскільки теплопровідність твердих тіл є безпосередньою характеристикою кристалічної ґратки, тобто інтенсивності фонон-фононної взаємодії, такі дослідження дають змогу отримати уявлення про механізми ангармонізму при зіставленні з інтегральними характеристиками речовин.

На підставі результатів дослідження температурних залежностей теплопровідності в кристалах [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ і [N(CH₃)₄]₂СоCl₄ встановлено, що в точках фазових переходів (вихідна-НС, НС-співмірна фази) простежується аномальне зменшення теплопровідності, яке пов'язане з процесами резонансного розсіяння фононів. Для синусоїдального режиму НС-фази характерна монотонна поведінка коефіцієнта теплопровідності, що обумовлено зростанням середньої довжини вільного пробігу фононів при збільшенні періоду надструктури.

У солітонному режимі надструктури, за умови відсутності хвиль густини дефектів, перехід від одного метастабільного стану до наступного супроводжується зменшенням величини коефіцієнта теплопровідності кристала (рис. 11, вставка а) за рахунок непружного розсіювання на критичних фононах з м'якої оптичної вітки.

За умови існування просторово-модульованих хвиль деформацій неспівмірно модульована надструктура набуває стохастичного режиму, а динаміка скорельованого руху тетраедричних груп пов'язана з існуванням хаотичної фази. Температурна поведінка коефіцієнта теплопровідності (його зубчатоподібне зростання - у хаотичній фазі зумовлена вкладом в теплоперенос м'яких оптичних фононів внаслідок збільшенням їхньої групової швидкості.

На підставі часової нестабільності солітонної системи під час фазового перетворення, яке відбувається між метастабільними станами, встановлено виникнення стохастичного режиму неспівмірної структури.

Головні результати і висновки

Результати, викладені в дисертаційній роботі, дали змогу одержати інформацію про нові фізичні ефекти в діелектриках за наявності багатохвильового стану кристала. Встановлено, що коли сила взаємодії між солітонами наближається до сили взаємодії солітон-дефект, в кристалі виникає стохастичний режим неспівмірної надструктури, для якого характерне існування хаотичної фази. Всебічні дослідження оптико-поляризаційних властивостей, теплопровідності та ядерного магнітного резонансу модульованих структур були спрямовані на встановлення закономірностей виявів багатохвильового стану надструктури та його впливу на властивості кристалів. Результати роботи демонструють також перспективність використання досліджених ефектів у створенні поліфункціональних матеріалів для пристроїв оптоелектроніки. Головні результати та висновки роботи полягають в тому, що:

1. З'ясовано, що за наявності неспівмірної надструктури в кристалі є три різні фазові переходи за температурною еволюцією фізичних величин при них. Фазовий перехід вихідна-неспівмірна фаза є неперервним фазовим переходом другого роду. Фазовий перехід між довгоперіодичними співмірними фазами проходить через проміжний за температурою інтервал існування хаотичної фази. Фазовий перехід між співмірними фазами за умови існування хвилі густини дефектів проходить через температурний інтервал існування доменоподібних областей старої і нової фази.

2. Проведені дослідження оптико-поляризаційних властивостей та коефіцієнта теплопровідності підтвердили існування в солітонному режимі неспівмірної фази багатохвильового стану кристала. Внаслідок суперпозиції існуючих хвиль модуляцій (хвилі густини дефектів та хвилі неспівмірної модуляції) виникає хвиля з різницевим значенням хвильового вектора модуляції у всьому об'ємі кристала. Встановлено, що у перехідному за температурою інтервалі за умови існування декількох просторово модульованих хвиль деформацій (хвиль густини дефектів) відбувається розбиття кристала на доменоподібну блочну структуру з різними хвильовими векторами. Усереднений період по всьому цьому набору є змінною величиною.

3. З'ясовано, що в неспівмірній фазі температурна залежність коефіцієнта теплопровідності має немонотонний характер: у солітонному режимі для переходу між співмірними довгоперіодичними фазами характерне зменшення коефіцієнта теплопровідності кристала внаслідок непружного розсіювання на критичних фононах з м'якої оптичної вітки. У стохастичному режимі за умови існування хаотичної фази коефіцієнт теплопровідності зростає, що зумовлено вкладом в теплоперенос м'яких оптичних фононів внаслідок збільшення їхньої групової швидкості.

4. Для хаотичної фази характерна зміна хвильового вектора модуляції, притаманна неспівмірній фазі, обмеженій двома співмірними довгоперіодичними фазами з точковими групами симетрії, що є підгрупами симетрії вихідної фази.

5. Температурна еволюція теплоємності кристалу в хаотичній фазі має немонотонний характер і прямує до нескінченності в точках фазових переходів.

6. Показано, що в неспівмірній фазі можна спостерігати подвійні петлі гістерезису двох типів. Перший тип спостерігають в співмірних довгоперіодичних фазах (які виникають в НС фазі) і природа появи їх зумовлена взаємодією двох хвиль модуляцій (стаціонарна хвиля просторового розподілу густини дефектів та хвиля модуляції, хвильовий вектор якої міняється з температурою). В умовах переполяризації доменів відбувається процес переходу кристала з неоднорідного в однорідний зі зникненням солітонної структури. У цьому випадку залишається слід - хвиля просторового розподілу густини дефектів, яка є зародком при зворотному процесі. Другий тип зумовлений неперервним переходом від однієї співмірної області до іншої під дією зовнішнього впливу.

7. Встановлено, що в неспівмірній фазі в полі модульованої надструктури проходить процес формування хвилі просторового розподілу густини дефектів. Коли період хвилі густини дефектів співпадає із періодом модульованої структури, то прояв їхньої взаємодії полягає в розширенні температурного інтервалу існування метастабільного стану - ефект термооптичної пам'яті. У випадку, коли періоди цих двох хвиль модуляцій не збігаються, але є близькими один до одного, то внаслідок їхньої суперпозиції проходить процес утворення хвилі модуляції з різницевим значенням k=k₁-k₂, яка зумовлює аномальну поведінку фізичних параметрів.

Головні результати дисертаційного дослідження опубліковано у працях

1. The Stochastic Mode of the Modulated Structure in [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ Dielectric Crystals / [S. Sveleba, O. Semotyuk, I. Katerynchuk, Yu. Furgala, Yu. Pankivskyi]// Acta Physica Polonica (a). - 2006. - Vol. 109,No. 6. - P. 695-700.

2. Взаємодія модульованої структури з дефектами у кристалах з несумірною фазою / С.А. Свелеба, І.М. Катеринчук, О.В. Семотюк, І.М. Куньо // Журнал фізичних досліджень. - 2005 - Т. 9, № 1. - С. 334-350.

3. Phase transitions in [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ and [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ crystals related with the incommensurate modulation existence / [S. Sveleba, O. Semotyuk, I. Katerynchuk, I. Kunyo, I. Karpa, Yu. Pankivskyi] // Acta Physica Polonica (a). - 2008. - Vol. 114, No 4. - P. 791-806

4. Температурна еволюція двозаломлення у стохастичному режимі неспівмірної фази кристалу [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ / [Свелеба С.А., Семотюк О.В., Катеринчук І.М., Куньо І.М., Карпа І.В., Пастухов Р.] // Вісн. Львів. ун-ту. Вип. 42. - 2008. - С. 174-183.

5. Співіснування промодульованих фаз у кристалі [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / С.А. Свелеба, О.В. Семотюк, І.М. Катеринчук, О.І. Фіцич // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. фіз. - 2001. - Вип. 34. - C. 56-59.

6. Подвійні петлі гістерезису в неспівмірних фазах кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂CoCl₄ / Свелеба С.А., Семотюк О., Катеринчук І., Фіцич О. // Вісн. Львів. ун-ту. Вип. 37. - 2003. - С. 174-183.

7. Influence of the sample's prehistory on the optical indicatrix rotation in the incomensurate phase of [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ crystal / [S. Sveleba, I. Kunyo, I. Karpa, I. Katerynchuk, O. Semotyuk, Yu. Pankivskyi, O. Phitsych] // XII International Seminar on physics and chemistry of solids. - L'viv, Ukraine, May 28-31, 2006. - P. 61.

8. New State of Modulated Incommensurate Phase / I. Polovynko, S. Sveleba, I. Katerynchuk, O. Semotyuk // IXth international seminar on physics and chemistry of solid, Czestochowy, 28-31 maja 2003. - P. 37-38.

9. Вклад суперпозиції хвиль модуляції в оптичне двозаломлення / [І. Куньо, О. Семотюк, І. Катеринчук, С. Свелеба, О. Фіцич] // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної і експериментальної фізики ЕВРИКА-2005. 24-26 травня 2005. - С. 65-66.

10. Sveleba S.A. Chaotic phase in the dielectric crystals [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Co, Zn, Cu, Fe) / S.A. Sveleba, I.M. Katerynchuk, O.V. Semotyuk // NATO Advanced Workshop “Dimensionality effects and non-linearity in ferroics''. - Lviv. 19-22 October 2004. - P. 105.

11. Особливості перехідних областей в несумірній фазі кристалів / О. Фіцич, І. Катеринчук, О. Семотюк, С. Свелеба // Збірник тез Міжнародної конференції студентів та молодих науковців з теоритичної та експериментальної фізики. ЕВРІКА-2001. - Львів. 16-18 травня 2001. - С. 111-112.

12. Малокутове розсіювання в кристалах [N(CH₃)₄]₂CuCl₄. / О.В. Семотюк, С.А. Свелеба, В.С. Жмурко, Ю.І. Панківський // Перша Українська школа-семінар з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів. Львів. Україна. 26-28 серпня 1999. С. 69.

13. Аномальна поведінка інтенсивності світла в неспівмірній фазі / [О.В. Семотюк, С.А. Свелеба, В.С. Жмурко, Ю.М. Фургала, І.М. Катеринчук ] // Тези семінару ISPCS''2000. VI міжнародний семінар з фізики і хімії твердого тіла. Львів (Любінь-Великий). 31 травня - 4 червня 2000. С. 18 - 19.

14. Співіснування промодульованих фаз в кристалі [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ / О. Семотюк, І. Катеринчук, О. Фіцич, С. Свелеба //Збірник тез Міжнародної конференції студентів та молодих науковців з теоритичної та експериментальної фізики. ЕВРІКА-2001. - Львів. 16-18 травня 2001. С. 106-107.

15. Chaotic phase in the dielectric crystals [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Co; Zn; Cu; Fe) /[Sveleba S.A., Katerynchuk I.M., Semotyuk O.V., Phitsych O.I., Pankivsky Yu., Kunyo I.] // Dimensionality effects and non-linearity in ferroics. Lviv. 19-22 October 2004. - P. 105.

16. Стохастичний режим модульованої структури в діелектричних кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu; Fe; Co) / О. Семотюк, І. Катеринчук, О. Фіцич, С. Свелеба // Ювілейна наукова конференція, присвячена 25-річчю кафедри нелінійної оптики. - Львів. 23-24 вересня 2004. - С. 50.

17. Семотюк О. Прояв стохастичного режиму модульованої структури в оптичному двопроменезаломленні діелектричних кристалів / О. Семотюк, С. Свелеба, І. Катеринчук // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. ЕВРИКА-2006. Збірник тез. - Львів. 15-17 травня 2006. - С. 63.

18. Phase transitions caused by the incomensurate phase existence / S. Sveleba, O. Semotyuk, I. Katerynchuk, I. Kunyo // VIII Ukrainian-Polish and III East-European Meeting on Ferroelectrics Physics. September 4-7, 2006. - Lviv, Ukraine. - P. 127.

19. Thermal evolution of birefrongence in the sinusoidal mode of incommensurate phase of the [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ crystals / [S. Sveleba, O. Semotyuk, I. Kunyo, I. Karpa, Yu. Pankivsky, A. Gradisek, T. Apih ] // Тези семінару ISPCS''2000. VI міжнародний семінар з фізики і хімії твердого тіла. - Львів . 1-4 червня 2008. - С. 65.

20. Birefringence, dielectric and nuclear magnetic rezonance studies of parent phase in [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ crystals / [O.Semotyuk, S. Sveleba, I. Karpa, I. Katerynchuk, A. Gradisek, T. Apih] // Збірник тез Міжнародної конференції студентів та молодих науковців з теоритичної та експериментальної фізики. ЕВРІКА-2008. Львів. 19-21 травня 2008. - С. D22.

21. Багаутдинов Б.Ш Структурные аспекты диэлектрической аномалии при 161 K в кристаллах Sc(NH₂)₂ / Б.Ш Багаутдинов., М.С. Новикова // ФТТ. - 2002. Т. 44, № 12. - С. 2189-2192.

22. Ferre J. Linear optical birefringence of magnetic crystals / J. Ferre, G. Gehring // Rep. Prog. Phys. - 1984. - Vol. 47. - P. 513-611.

Анотація

Семотюк О.В. Стохастичний режим модульованої структури в неспівмірній фазі кристалів N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Львівський національний університет імені Івана Франка. - Львів, 2010. У дисертації досліджено закономірності еволюції неспівмірної структури в стохастичному режимі у діелектричних кристалах N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe). З'ясовано, що в неспівмірній фазі існує багатохвильовий стан надструктури, який зумовлений як суперпозицією існуючих хвиль модуляцій у всьому об'ємі кристала, так і блочною структурою кристала з різними хвильовими векторами. Експериментально виявлено, що за умови існування блочної структури кристала виникає стохастичний режим неспівмірної фази в кристалах [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂FeCl₄.

Встановлено, що для хаотичної фази характерна зміна хвильового вектора модуляції подібно до неспівмірної фази, обмеженою двома співмірними довгоперіодичними фазами з точковими групами симетрії, які є підгрупами симетрії вихідної фази. Експериментально виявлено, що за умови існування хаотичної фази зростання коефіцієнта теплопровідності зумовлене внеском в теплоперенесення м'яких оптичних фононів, внаслідок збільшення їхньої групової швидкості.

Ключові слова: неспівмірна фаза, метастабільні стани, солітон, амплітуда і фаза параметра порядку, стохастичний режим, хаотична фаза.

Аннотация

Семотюк О.В. Стохастический режим модулированной структуры в несоразмерной фазе кристаллов N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe). - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Львовский национальный университет имени Ивана Франко. - Львов, 2010.

В диссертации исследовано закономерности эволюции несоразмерной структуры в стохастическом режиме диэлектрических кристаллов N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe). Выяснено, что в несоразмерной фазе существует многоволновое состояние надструктуры, которое обусловлено как суперпозицией существующих волн модуляций во всем объеме кристалла, так и блочной структуры кристалла с разными волновыми векторами.

Экспериментально выявлен стохастический режим несоразмерной фазы в кристаллах [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, [N(CH₃)₄]₂FeCl₄. Установлено, что для хаотической фазы характерны изменения волнового вектора модуляции, подобно к несоразмерной фазе, ограниченной двумя соразмерными длиннопериодическими фазами с точечными группами симметрии, которые являются подгруппами симметрии исходной фазы. Экспериментально определено, что возрастание коэффициента теплопроводности при условии существования хаотической фазы обусловленно вкладом в теплоперенос мягких оптических фононов, вследствие увеличения их групповой скорости.

Ключевые слова: несоразмерная фаза, метастабильные состояния, солитон, амплитуда и фаза параметра порядка, стохастический режим, хаотическая фаза.

Abstract

Semotyuk O.V. Stochastic mode of the modulated structure in the incommensurate phase of N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe) crystals. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in physical and mathematical sciences by specialty 01.04.10. - physics of semiconductors and dielectrics. - Lviv Franko National University. - Lviv, 2010.

The dissertation is devoted to study of the regularities of incommensurate structure evolution in the stochastic mode of N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me = Cu, Zn, Fe) dielectric crystals.

It has been found that in incommensurate phase the multimode state of modulated structure exists. It is characterized by superposition of the existing modulation waves in the whole crystal sample as well as blocked crystal structure with different wave vectors in blocks.

It has been ascertained that due to the temperature evolution of physical parameters at transitions points three types of phase transitions occur in the crystal with incommensurate phase. The transition from parent into incommensurate phase is continuous second order phase transition. The transition between long-periodic commensurate phases probably passes through intermediate temperature interval of the chaotic phase existence. The transition between commensurate phases in the conditions of defect density wave existence passes through temperature interval of the block crystal structure constructed from domain-like spatial regions with different wave vectors. Such structure is characterized by “old” and “new” phases.

The multimode state existence in the soliton mode of incommensurate phase has been proven by investigations of the optical-polarization properties and thermal conductivity of the crystals. Such state of the crystal is characterized by superposition of the existing modulation waves and appearance of the block-like crystal structure.

As a result of superposition of the existing modulation waves (defect density wave and wave of incommensurate modulation) the wave with difference wave vector appears in the whole crystal sample volume.

It has been found that in the transition temperature region in the conditions of spatial deformation waves (defect density waves) existence the crystal splits into domain-like blocks with different wave vectors. The averaged period by whole set of blocks is temperature dependant.

It has been elucidated that in the transitional temperature regions the chaotic phase appears. In this phase the modulation wave vector changes like in incommensurate phase bounded by two commensurate long-periodic phases with the symmetry point groups which are the subgroups of parent phase symmetry.

It has been cleared up that in the incommensurate phase the temperature dependence of the thermal conductivity is non-monotonous. Due to the non-elastic phonon scattering on the critical phonons from soft optical branch in the soliton mode at the transition between commensurate long-periodic phases the thermal conductivity decreases. The thermal conductivity increases with temperature in the stochastic mode in conditions of chaotic phase existence. Which is caused by contribution of soft optical phonons into heat conducting as a result of increasing of their free path length.

It has been found that in the incommensurate phase in the field of modulation structure the defect density spatial distribution wave forms. If the period of defect density wave coincides with the period of modulated structure then their interaction reflects in widening of the temperature range of the metastable state existence. Therefore, thermo-optical memory effect are observed. If the periods do not coincide but they are close then as a result of their superposition the modulation wave with difference wave vector k=k₁-k₂ forms. This resulting modulation wave causes appropriate anomalous behavior of the physical parameters.

The two type electro-optical hysteresis loops were experimentally observed in the incommensurate phase. The loops of first type were observed in the commensurate long-periodic phases (that appear in incommensurate phase). Which is caused by interaction of two modulation waves. The loops of second type are caused by transition from one commensurate region into another under external influence.

Keywords: incommensurate phase, metastable state, soliton, amplitude and phase of order parameter, stochastic mode, chaotic phase.

Размещено на Allbest.ru

...