Динаміка модульованої структури в діелектричних кристалах [N(CH3)4]2MeCl4 (Me= Cu; Zn; Mn), Cs2HgCl4, Cs2HgBr4 і Cs2CdBr4, в умовах сильного піннінгу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ІМЕНІ Б.І. ВЄРКІНА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

фізико-математичних наук

Динаміка модульованої структури в діелектричних кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me= Cu; Zn; Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄, в умовах сильного піннінгу

01.04.07 -фізика твердого тіла

Куньо Іван Михайлович

Харків - 2009

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

Хацько Євген Миколайович,

провідний науковий співробітник відділу магнетизму Фізико-технічного інституту низьких температур імені Б.І. Вєркіна НАН України м. Харків

доктор фізико-математичних наук, професор

Трубіцин Михайло Павлович,

завідувач кафедри фізики твердого тіла та оптоелектроніки Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара

Захист відбудеться “17” листопада 2009 року о 15⁰⁰ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м. Харків, проспект Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м. Харків, проспект Леніна, 47

Автореферат розісланий “___” ______________2009 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук, професор Сиркін Є.С.

загальна характеристика роботи

надструктура піннінг солітонний хвиля

Актуальність дисертаційної теми. На протязі двох останніх десятиріч надзвичайно зросла зацікавленість до дискретних задач в різних розділах фізики, які розглядають нелінійні системи.

Задачі подібного типу виникають у фізиці фазових перетворень, фізиці пластичної деформації, в нелінійній оптиці, у фізиці Бозе-Енштейнового конденсата, при дослідженні хвиль кальцію у живих клітинах, надпровідних Джозефсонівських контактах, і в цілому ряді інших областей. Дискретність матерії на молекулярному і атомному рівні стає все більш помітною для нанотехнологій.

Серед об'єктів нелінійної фізики одним із найбільш цікавих і важливих для практичного застосування є хвилі солітонного типу. Ці хвилі як в континуальних, так і в дискретних системах можуть переносити енергію, імпульс, масу, електричний та топологічний заряд, інші фізичні величини, а також інформацію. Унікальністю властивостей солітонних хвиль є їх стійкість за відношенням до збуджень. Для теоретичної фізики солітони являють собою значний інтерес як точні розв'язки деяких нелінійних рівнянь, серед яких особливе місце займають повністю інтегровані рівняння, такі, як рівняння синус - Гордона, Кортевега-де-Фріза, або нелінійне рівняння Шредінгера.

Сьогодні в цілому ряді діелектриків виявлено фази з неспівмірною надструктурою, період яких є більшим за міжатомну відстань, але менший за довжину світлової хвилі. Форма хвилі модуляції, яка переважно описується як синусоїдальна, має більш складні вигини, названі розспівмірностями або фазовими солітонами. На динаміку модульованої структури впливають домішки, дефекти і дислокації. Внаслідок піннінгу (закріплення) на дефектах і домішках виникає ряд універсальних властивостей неспівмірних фаз, до яких слід віднести: гістерезис температурних залежностей хвильового вектора, діелектричних і оптичних параметрів; ефекти термічної, діелектричної і термооптичної пам'яті; кінетики фізичних величин; ефект “в'язкої взаємодії” і т. д. Найбільш яскраво вплив дефектів на модульовану структуру проявляється тоді, коли сила взаємодії солітон-дефект стає рівною силі взаємодії солітон-солітон. Це обумовлює той факт, що поряд зі звичайними гладкими траєкторіями, які відповідають неспівмірним структурам, виникають стохастичні траєкторії, що відповідають хаотичним структурам. Цю структуру можна представити як таку, що складається із фрагментів співмірних структур з різними періодами. Це спричиняє виникнення багатохвильових станів. В даному режимі динаміка модульованої структури є складною і здійснюється через суперпозицію існуючих хвиль модуляції.

Ефекти, притаманні неспівмірній структурі, пояснюются динамікою солітонної структури, зокрема, процесами зародження й анігіляції солітонів.

Розроблені фізичні моделі для пояснення динаміки солітонної структури і запропоновані методи розрахунку її внеску в оптичні характеристики є важливими для оптоелектронного матеріалознавства і функціональної електроніки, в тому числі для пошуку ефективних поліфункціональних матеріалів.

Матеріали з неспівмірною надструктурою привертають увагу з кількох аспектів:

по-перше за умови, наближення сили взаємодії між солітонами до сили взаємодії дефект-солітон, неспівмірну фазу можна розглядати як послідовність метастабільних станів; при рівності цих сил відбувається перехід із неоднорідного стану в однорідний зі зникненням солітонної структури;

по-друге в неспівмірній фазі виявлено новий багатохвильовий стан неспівмірно модульованої структури;

по-третє при зменшенні жорсткості солітонної структури виникає стохастичний режим неспівмірної надструктури, а кристал приймає доменоподібну будову;

Сьогодні є велика кількість теоретичних розробок, котрі пояснюють властивості неспівмірних фаз. 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. Однак, досі не вистачає експериментальних даних, за допомогою яких можна було б перевірити теоретичні припущення і вказати напрями розвитку досліджень еволюції хвилі структурної модуляції.

Звичайно, динаміка неспівмірної структури неодноразово привертала увагу експериментаторів. Досліджували її з застосуванням методик ЕПР, ЯКР, рентгеноструктурного аналізу, розсіяння нейтронів, діелектричних вимірювань. Важливим методичним аспектом дисертаційної роботи є виконання таких досліджень за допомогою оптичних методів.

Водночас, багато явищ і процесів, що мають місце у неспівмірних фазах, вимагають свого вивчення та пояснення. Це, зокрема, стосується тих ефектів, які пов'язані з динамікою солітонної системи в умовах сильного піннінгу.

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 Со-227Ф “Просторово-модульовані стани у фероїках” (номер держреєстрації 0104U002133), Со-107Ф "Еволюція модульованої структури у фероїках i споріднених матеріалах"(номер держреєстрації 0107U002057) і М/116-2007 “Динаміка модульованої структури в діелектричних кристалах в умовах сильного піннінгу” (номер держреєстрації 0107U009709)

Об'єкт дослідження - динаміка солітонної гратки в умовах сильного піннінгу, яка виявляється у температурно-часових ефектах у неспівмірній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn, Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄.

Предмет дослідження - солітонний режим НС структури.

Мета роботи полягає у визначенні закономірностей динаміки модульованої надструктури в умовах сильного піннінгу.

Мета дослідження передбачає виконання таких завдань:

проаналізувати, вдосконалити й апробувати експериментальні методики вивчення оптичної анізотропії;

дослідити температурну динаміку скерельованого руху тетраедричних груп кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn, Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄;

дослідити температурну та часову динаміку солітонної ґратки за умови існування просторових хвиль деформацій основної структури та проаналізувати її в межах феноменологічної теорії;

дослідити багатохвильовий стан модульованої надструктури в кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn).

Досягнення поставленої мети забезпечено використанням прецизійних, апробованих методик дослідження: приросту оптичного двозаломлення методом Сенармона, залишкової інтенсивності, повороту оптичної індикатриси, теплопровідності, діелектричної проникності, ядерно-магнітного резонансу 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:

Багатохвильовий стан скорельованого руху тетраедричних груп визначається існуванням просторових хвиль деформації структури.

За умови існування декількох хвиль густини дефектів в кристалі реалізується стохастичний режим неспівмірної надструктури з утворенням хаотичної фази.

Встановлено, що енергія співмірності зумовлює зміну динаміки неспівмірної надструктури, спричиняючи зменшення температурного інтервалу існування неспівмірної фази та розширення температурного інтервалу існування метастабільних станів.

Деформація кристалічної структури внаслідок дії електричного поля та механічного напруження супроводжується пониженням енергії взаємодії між солітонами, спричиняючи закріплення солітонів атомами базової структури у випадкових положеннях.

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.

Результати цієї роботи використовують у лекційному матеріалі та під час проведення лабораторних робіт зі спецкурсів “Оптико-спектральні методи контролю”, “Комп'ютери в оптико-фізичних дослідженнях”, “Проблеми фізики фероїків”, “Кристалофізика”, “Параметрична кристалооптика”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом досліджень, проведених автором на кафедрі нелінійної оптики Львівського національного університету імені Івана Франка.

Під керівництвом провідного наукового співробітника С. А. Свелеби вибрано напрям досліджень, поставлено ключові завдання, а також обговорено низку результатів.

Спільно із провідним науковим співробітником С. А. Свелебою та науковим співробітником І. М. Катеринчуком отримано кристали [N(CH₃)₄]₂МеCl₄ (Me = Cu, Fe, Zn) з водних розчинів.

Разом із провідним науковим співробітником С. А. Свелебою та науковим співробітником І. М. Катеринчуком виконано автоматизацію методу Сенармона та дослідження повороту оптичної індикатриси.

Разом із інженером О.В. Семотюком виконано автоматизацію установки з вимірювання коефіцієнта теплопровідності кристалів.

Більша частина температурних, часових та польових досліджень оптичного двозаломлення, повороту оптичної індикатриси, залишкової інтенсивності, діелектричних властивостей та теплопровідності в досліджуваних кристалах виконана самостійно. Разом із провідним науковим співробітником С. А. Свелебою зроблено феноменологічні розрахунки та чисельний аналіз температурних залежностей двозаломлення, повороту оптичної індикатриси та залишкової інтенсивності.

За всією сукупністю експериментальних даних про динаміку модульованої структури в умовах сильного піннінгу у досліджуваних кристалах автор вивів загальні закономірності еволюції скорельованого руху тетраедричних груп і прояву їхніх властивостей у фізичних параметрах.

У спільних публікаціях, що відображають головні результати дисертації, внесок автора переважає і полягає в наступному:

для статей [2, 4, 8, 10, 13] - у формулюванні завдання; проведенні експерименту; аналізі та інтерпретації отриманих результатів; участі у написанні статей;

для статей [1, 3, 12, 20] - у формулюванні завдання; проведенні експерименту за участю співавторів; аналізі та інтерпретації отриманих результатів, написанні статей;

для праць [7, 5, 9, 14, 16] - у формулюванні завдання; проведенні експерименту за участю співавторів; аналізі, інтерпретації, представленні отриманих результатів, у написанні праць;

для праць [8, 11, 17] - у формулюванні завдання; проведенні експерименту за участю співавторів; аналізі та інтерпретації отриманих результатів, написанні праць;

для праць [15, 18, 19, 21] - у формулюванні завдання; проведенні експерименту за участю співавторів; аналізі отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, викладені у дисертації, виголошено на засіданні Dimensionality effects and non-linearity in ferroics (Lviv, Україна, 2004); Ювілейній науковій конференції, присвяченій 25-річчю кафедри нелінійної оптики (Львів, Україна, 2004); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2004 (Львів, Україна, 2004); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2005 (Львів, Україна, 2005); 12-ому Міжнародному семінарі з фізики та хімії твердого тіла (Львів, Україна, 2006); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2006 (Львів, Україна, 2006); VIII Ukrainian-Polish and III East-European Meeting on Ferroelectrics Phtsics. (Lviv, Ukraine, 2006); 12-й Міжнародний семінар з фізики та хімії твердого тіла. (Львів, Україна, 2006); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2007 (Львів, Україна, 2007); XIII International Seminar on Physics and Chemistry of Solid (Ustronie Slaskie, Poland, 2007); III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (Одеса, Україна, 2007); 11th European Meeting on Ferroelectricity (Bled, Slovenia, 2007); Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників „Лашкарьовські читання - 2008” (Київ Україна 2008); Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2008 (Львів, Україна, 2008); XIV International Seminar on Physics and Chemistry of Solid (Lviv, Ukraine, 2008); ІІІ Міжнародна науково-практична конференція „Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (Кременчук, Україна 2008); IX Polish-Ukrainian meeting and XXIX International School on Ferroelectric Physics (Krakow, Poland, 2008); IV Міжнародна наукова конференція „Фізика невпорядкованих систем (PDS 2008) присвячена 75-річчю від дня народження професора Ярослава Дутчака” (Львів, Україна, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 наукових праць, з яких 8 статті у реферованих журналах та 13 праць у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та бібліографії. Загальний обсяг дисертації 155 сторінки машинописного тексту, 59 рисунки (машинописного тексту основної частини дисертації - 143 сторінок). Бібліографія містить 194 найменувань.

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” розглянуто головні уявлення про неспівмірні фази, ефекти співмірності і колективні збудження в системах із неспівмірною модуляцією, метастабільні стани, режими неспівмірної структури. Також наведено головні принципи взаємодії модульованої структури з дефектами та зазначено, що у неспівмірній фазі під дією граничних умов (розмірів кристала) хвиля неспівмірної модуляції деформується так, що структура складається з доменів, де ця хвиля співмірна з періодом вихідної ґратки, і розділена вузькими доменними стінками - статичними солітонами. Спектр колективних коливань солітонів складається із двох віток: акустичної і оптичної. Акустична вітка пов'язана з колективним рухом солітонної гратки. Оптичну вітку можна трактувати як фазові коливання в середині співмірних доменів. Виходячи із інтерпретації акустичної вітки спектра як коливання доменних стінок, при врахуванні домішок і дефектів, в ній з'являється щілина, причому умова її виникнення буде полегшеною, оскільки подібні стінки будуть легко закріплюватись навіть на слабких неоднорідностях структури. Згідно мікроскопічної моделі при зменшенні жорсткості розглядуваної системи, та з феноменологічної теорії при достатньо великих значеннях анізотропного члена в термодинамічному потенціалі, разом зі звичайними гладкими траєкторіями, що відповідають неспівмірним структурам, виникають стохастичні траєкторії, що відповідають хаотичним структурам. Така структура характеризується різною відстанню між солітонами, а середній по всьому хаотичному ансамблі період може бути неспівмірний з періодом вихідної фази кристала.

Виходячи із рентгеноструктурних досліджень, досліджень з допомогою електронного мікроскопа, встановлено, що в значному температурному інтервалі вихідної фази існують локально просторові області скорельованого руху Т-груп, які при Т_і (Т_і - температура фазового переходу вихідна-неспівмірна фаза) приводять до зародження нс модуляції. В неспівмірній фазі спостерігається зміна режиму надструктури від синусоїдального до солітонного. За умови наближення сили взаємодії між солітонами до сили взаємодії солітонів з дефектами неспівмірну фазу можна розглядати як послідовність довгоперіодичних співмірних фаз з k=2рm/na, де m<n і n - мінімальний ступінь трансляції. За наявності колективних рухів солітонної ґратки та її квантових флуктуацій перехід між метастабільними станами є неперервний і визначається фононним збудженням, що спричинює зміну області стабільності цих станів. Упорядкування дефектів та домішок у полі модульованої структури приводить до утворення хвилі просторової деформації структури, яка визначає динаміку солітонної ґратки.

У розділі також коротко схарактеризовано об'єкти дослідження, якими є кристали [N(CH₃)₄]₂МеCl₄ (Me = Cu, Zn, Мn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄, що володіють неспівмірними фазами. Вони, зокрема характеризуються різним діапазоном існування неспівмірної фази та різною модуляцією, а саме модуляція повороту Т-груп в [N(CH₃)₄]₂CuCl₄, та зміщення положення іонів металу в тетраедрі для кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ i [N(CH₃)₄]₂MnCl₄.

У другому розділі “Об'єкти та методики досліджень” описано засади отримання та підготовки кристалів до дослідження, автоматизацію вимірювання приросту оптичного двозаломлення методом Сенармона та повороту оптичної індикатриси. Зазначено, що в результаті цього вдалося збільшити швидкодію у проведенні досліджень (до 6-ти експериментальних точок за секунду), підвищити точність отриманих результатів, зокрема, точність виміру температури до 0,02 K при використані диференціальної мідь-константанової термопари, розширити діапазон контрольованих параметрів досліджуваних об'єктів, зменшити вплив суб'єктивних чинників на отриманий результат. Дослідження діелектричних властивостей кристалів було виконано у Вроцлавському університеті в рамках Вишиградскої програми. Дослідження спін-граткової релаксації T₁ для ¹⁴N кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ виконано в інституті Йожефа Стефана (Любляна, Словенія) в рамках Українського Словенського проекту.

У третьому розділі на основі експериментальних результатів температурної поведінки двозаломлення (рис.1), повороту оптичної індикатриси, діелектричних властивостей (рис.2) та спін граткової релаксації (рис.3) досліджено температурну еволюцію локальних просторових областей у вихідній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn, Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄. Ці результати співставленні з літературними даними рентгеноструктурних досліджень, а також з результатами по нейтронному розсіюванні свідчать, що у вихідній фазі кожна тетраедрична група має два стани, з відмінними напрямами кутів повороту навколо осі с, тобто, кожній групі відповідають орієнтаційні стани з двохмінімумним потенціалом. У вихідній фазі поблизу фазового переходу (Т_і) вихідна - неспівмірна фаза повороти всіх Т-груп скорельовані. Тоді як в вдалині від Т_і повороти сусідніх груп в значній мірі незалежні. Приріст двозаломленням у вихідній фазі добре корелює із поведінкою часу спін-граткової релаксації (рис.3), засвідчуючи тим самим про вклад локально-просторових областей скорельованого руху тетраедричних груп у нелінійну температурну поведінку двозаломлення.

Рис.1. д(Дnc)~f(T) для свіжовирізаного зразка (?) і відпаленого при 370K протягом t = 1,5 год (¦) кристалу [N(CH3)4]2ZnCl4.	Рис.2. еa'~f(T) для свіжовирізаного зразка (нагрів), та відпаленого при T = 370 K протягом 2 годин (охолодження) кристала [N(CH3)4]2ZnCl4. На вставці еa'~f(T) у збільшеному масштабі в околі T*.
	Рис.3. Температурні залежності часу спін - граткової релаксації T1 для 14N і двозаломлення д(Дnc) у вихідній фазі кристала [N(CH3)4]2ZnCl4 у зведених одиницях.

Встановлено, що зростання деформації Т-груп (збільшення деформації тетраедричних груп здійснювалося шляхом упорядкування існуючих неконтрольованих дефектів та домішок, та введенням домішок типу заміщення) супроводжується збільшенням температурного інтервалу існування нелінійної залежності д(Дn_c)~f(T) (рис.4). Деформація тетраедричних груп зумовлена дефектами типу „сильного піннінгу”, збільшує як температурний інтервал локального скорельованого руху тетраедричних груп, так і його просторову область. Зникнення просторово-модульованої деформації, внаслідок розпорядкування рухомих дефектів та домішок супроводжується зменшенням температурного інтервалу існування нелінійної поведінки д(Дn_c), а отже температурного інтервалу існування локально просторових областей скорельованого руху Т-груп.

Рис.4. Температурна залежність приросту двозаломлення для кристала [N(CH3)4]2ZnCl4: 1 -свіжовирізаного зразка; 2 -відпаленого при Т = 370 K; 3 - з домішкою Nі2+. Температурна залежність залишкової інтенсивності для кристала [N(CH3)4]2ZnCl4 з домішкою Nі2+. На вставці температурні залежності двозаломлення у вихідній фазі.

Дослідження раманівських спектрів кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, засвідчують зміни в органічному комплексі під впливом X-променів, зумовлюючи виникнення в кристалі стаціонарних дефектів. Радіаційні дефекти впливають на еволюцію локальних просторових областей скорельованого руху тетраедричних груп у вихідній фазі, спричиняючи виникнення далекодіючої взаємодії, з можливим виникненням модульованої структури, що проявляється у збільшенні аномальної температурної залежності повороту оптичної індикатриси і двозаломлення для опромінених X-променями кристалів.

У четвертому розділі досліджена динаміка солітонної гратки в умовах взаємодії надструктури з дефектами та дамішками. Силу взаємодії дефект солітон можна збільшити шляхом збільшення концентрації дефектів та домішок у кристалі та шляхом упорядкування існуючих неконтрольованих дефектів та домішок. Оскільки динаміка модульованої структури в нс фазі в залежності від концентрації рухомих і не рухомих дефектів і домішок є добре вивчена, то в роботі розглянуто вплив хвилі густини дефектів (ХГД) на еволюцію нс структури.

Наведено результати по температурних дослідженнях повороту оптичної індикатриси для свіжовирізаних зразків, відпалених в парафазі поза температурним інтервалом існуванням локально просторових областей скорельованого руху Т-груп, та в умовах існування хвилі густини дефектів, на підставі яких зроблено висновок, що неспівмірну фазу можна розглядати, як температурну послідовність співмірних довгоперіодичних фаз точкові групи симетрії яких є підгрупою симетрії вихідної фази, і допускають поворот оптичної індикатриси.

На підставі результатів досліджень температурних залежностей кута повороту оптичної індекатриси (ц) та коефіцієнта теплопровідності (л), та співставлення їх з літературними даними по дослідженню впливу градієнта концентрації нерухомих дефектів на динаміку солітонної системи, встановлено, що за умови існування декількох ХГД у кристалі в неспівмірній фазі можливо утворюються топологічні дефекти - хвиля густини солітонів.

З'ясовано, що для температурної залежності двозаломлення в напрямку перпендикулярному до вісі неспівмірної модуляції, перехід між метастабільними станами характеризується аномальною поведінкою, а величина та форма її залежить від кількості хвиль густини дефектів в кристалі. (Як отримано кількість густини дефектів) Ці результати співставленні з літературними даними рентгеноструктурних досліджень, та досліджень з допомогою електронного мікроскопа засвідчують, що за відсутності ХГД перехід між метастабільними станами відбувається без утворення багатохвильового стану кристала. За наявності одної чи декількох ХГД утворюється багатохвильовий стан кристалу з виникненням хвилі суперпозиції з періодом більшим за період хвилі надструктури, що виявляється в різкому зростанні величини аномальної поведінки двозаломлення (рис. 5 крива 2-5). Подальше збільшення кількості існуючих ХГД зумовлює виникнення доменоподібної будови кристала яка характеризується випадковими відстаннями між солітонами, а усереднений період по цій структурі змінюється з часом (рис. 5 криві 6, 7.).

Рис. 5. Часова залежність д(Дna) для кристала [N(CH3)4]2СuCl4 при переході між метастабільними станами від кількості існуючих у кристалі хвиль густини дефектів.

Наведено результати досліджень впливу передісторії зразків на температурну поведінку повороту оптичної індикатриси кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, на підставі яких показано, що виникаючий в НС фазі багатохвильовий стан модульованої структури може реалізуватись як через утворення хвилі суперпозиції у всьому об'ємі кристала та і блочної доменоподібної структури. В залежності від термічної передісторії кристала (свіжовирізаний, відпалений у вихідній фазі, витриманий у НС фазі, повторно відпалений), при переході між сегнетоелектричною та сегнетоеластичною фазами, за умови існування просторово промодульованих хвиль деформації виникає блочна структура, яка характеризується існуванням старої і нової фази. При переході НС - сегнетоелектрична фаза кристал розбивається на блоки, які характеризуються різними періодами надструктури. Показано, що в стохастичному режимі неспівмірної структури, за умови існування просторово-модульованої хвилі деформації, динаміка скорельованого руху тетраедричних груп пов'язана з існування хаотичної фази.

В п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень динаміки солітонної гратки в умовах сильного піннінгу.

Виходячи із часових залежностей двозаломлення, повороту оптичної індикатриси та коефіцієнта теплопровідності у неспівмірній фазі при постійній температурі показано, що збільшення кількості ХГД приводить до зміни величини та форми їх аномальної поведінки при переході між метастабільними станами. Розглянуто динаміку солітонної гратки від кількості існуючих ХГД.

Для кристалів [N(CЗ₃)₄]₂CuCl₄ проведено феноменологічний опис часових залежностей двозаломлення у рамках феноменологічної теорії. Так як при переході між метастабільними станами проходить зміна періоду надструктури з часом, то для опису аномальної зміни двозаломлення розглянуто залежність ц у вигляді ц_z,t = ц₀(z) + ш(z,t), де ц₀ = ц₁, ш(x,t) - описує просторову зміну фази параметра порядку з часом. Оскільки приріст д(?n) в перехідному інтервалі при поширенні світла в напрямках, перпендикулярних до осі модуляції є пропорційний до просторової зміни фази параметра порядку, то

При розрахунку часової залежності д(?n_a), використовувалась залежність ш(x,t) = U_q(x)e^iщt, де U_q(x) _ є функцією хвильового вектора q, с = const a, b, E₀, д _ сталі величини, И _ постійна інтегрування, l, l₁ _ цілі натуральні числа, ц₀ = arctg(e^бz). Отримана згідно даного виразу теоретична крива відтворює аналогічну експериментальну залежність і засвідчує, що немонотонна поведінка часової залежності двозаломлення та повороту оптичної індекатриси внаслідок перебудови структури при переході від одного метастабільного стану до наступного зумовлена колективним рухом солітонної ґратки.

Із температурних залежностей двозаломлення при різних значеннях товщини зразка з'ясовано, що зменшення розмірів кристала [N(CЗ₃)₄]₂CuCl₄ супроводжується збільшенням взаємодії між надструктурою і базовою структурою, що проявляється в підвищенні температури фазового переходу неспівмірна - співмірна фаза (рис.6.), та розширенні температурного інтервалу існування метастабільних станів.

Експериментально встановлено, що зменшення розмірів зразка супроводжується підвищенням температури фазового переходу вихідна - НС фаза (рис. 6). З аналізу літературних даних зміна величини параметра неспівмірності, який визначає величину температури фазового переходу вихідна-неспівмірна фаза (T_i=T₀+н²/4дб), може відбуватися при дії зовнішніх факторів, а саме: електричного поля, механічного напруження, гідростатичного тиску. Оскільки досліджувані кристали мають скінченні розміри, то при поверхневому шарі товщиною d виникає дипольний момент P порядку атомних величин. В незакороченому зразку квадрупольний момент з густиною j створює неоднорідне по зразку електричне E поле з градієнтом E j/l² (l - розмір зразка), яке у свою чергу викликає спонтанну однорідну складову деформації u = DE. Для кристалів з неспівмірною надструктурою d L 10²c (де c - параметр елементарної комірки), V 3 10³ В; P₀ 10^-4мкКл/м².

	Рис.6 . Температурна залежність д(Дnс) кристалу [N(CH3)4]2CuCl4 при різних значеннях товщини зразка: 1) d ? 350 мкм; 2) d ? 170 мкм; 3) d ? 50 мкм; 4) d ? 20 мкм.

Проведено дослідження діелектричних властивостей кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄. Встановлено, що зменшення часів релаксації зміщення солітонів під дією електричного поля в опроміненому зразку в неспівмірній фазі свідчить про блокування стаціонарними дефектами руху солітонної системи. Зменшення часів релаксації в сегнетоелектричній фазі зумовлено блокуванням руху доменних стінок дефектами.

Зроблено аналіз експериментальних результатів впливу одновісних тисків, та електричного напруження на динаміку солітонної структури. З'ясовано, що деформація модульованої надструктури внаслідок дії механічного напруження та електричного поля зумовлює зміну динаміки солітонної гратки, приводячи до розширення температурного інтервалу існування метастабільних станів. За умови коли зовнішнє поле є „своїм” полем то його дія супроводжується пониженням вільної енергії кристала, зменшенням жорсткості солітонної системи, та розширенням температурного інтервалу існування хаотичної фази, при переході між метестабільними станами.

ВИСНОВКИ

Результати, викладені в дисертаційній роботі, дали змогу одержати інформацію про нові фізичні ефекти в діелектриках, які визначаються динамікою солітонної гратки в умовах сильного піннінгу. Визначено, що, коли сила взаємодії між солітонами наближається до сили взаємодії солітон - дефект, в кристалі виникає новий багатохвильовий стан неспівмірної модульованої структури, який характеризується існуванням хвилі суперпозиції з періодом, більшим за період світлової хвилі та виникнення блочної структури. Усебічні дослідження оптичних властивостей модульованих структур спрямовані на з'ясування закономірностей виявів просторової модуляції. Результати роботи демонструють також перспективність використання досліджених ефектів у створенні надграток з керованим періодом для пристроїв оптоелектроніки. Головні результати та висновки роботи полягають у наступному:

1. Встановлено, що у вихідній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me=Cu, Zn, Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄ в широкому температурному інтервалі (ДТ>20K) існують локально просторові області скорельованого руху тетраедричних груп. Деформація тетраедричних груп ZnCl₄²⁺, зумовлена дефектами типу заміщення („сильного піннінгу”), збільшує як температурний інтервал існування локальних областей скорельованого руху тетраедричних груп, так і їх просторову область. Радіаційні дефекти впливають на температурну еволюцію локальних областей скорельованого руху тетраедричних груп у вихідній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄, спричиняючи виникнення далекодіючої взаємодії, з утворенням модульованої структури в температурному інтервалі (T_i=296,6Kч350K) існування локальних областей скорельованого руху тетраедричних груп.

2. У солітонному режимі неспівмірної модуляції (T_c=280Kч291K - для кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄; Т_с=290,5Kч296K - для кристала [N(CH₃)₄]₂CuCl₄) за умови існування хвилі густини дефектів виникає новий багатохвильовий стан неспівмірної модульованої структури, який характеризується або суперпозицією декількох хвиль модуляції в одному кристалографічному напрямку, або кристал за рахунок зменшення жорсткості солітонної структури приймає доменоподібну будову, яка характеризується різною періодичністю надструктури.

3. Виходячи із температурної поведінки двозаломлення, теплоємності та повороту оптичної індикатриси, встановлено, що в стохастичному режимі неспівмірної надструктури енергія взаємодії між солітонами є близькою до енергії їх піннінгу на дефектах і домішках, що зумовлює закріплення солітонів атомами базової решітки у випадкових положеннях.

4. Виходячи із часової поведінки двозаломлення, повороту оптичної індикатриси та теплоємності, встановлено, що при зміні неспівмірної надструктури період неспівмірної хвилі не може зразу прийняти рівноважне значення, а послідовно приймає всі дозволені для нього попередні значення, тому час формування хвилі модуляції, при деякій визначеній температурі пов'язано з формуванням кожного попереднього значення періоду модуляції в результаті руху солітонів і їх взаємодією з дефектами і базисними атомами кристалічної решітки.

5. Встановлено, що зменшення розмірів (50<d<150мкм) кристала [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ супроводжується зменшенням величини параметра неспівмірності, що виявляється в підвищенні температури фазового переходу вихідна - неспівмірна фаза (ДТ_і?4K).

6. Виходячи із діелектричних досліджень, радіаційні дефекти зменшують частоту релаксації зміщення солітонів під дією електричного поля в неспівмірній фазі, що свідчить про блокування стаціонарними дефектами руху солітонної системи. Зменшення часів релаксації в сегнетоелектричній фазі зумовлено блокуванням дефектами руху доменних стінок.

7. Колективний рух солітонної ґратки, що виникає внаслідок перебудови структури при переході від одного метастабільного стану до наступного, супроводжується немонотонною поведінкою двозаломлення та повороту оптичної індикатриси. В залежності від кількості (N) існуючих просторово-модульованих хвиль деформацій цей рух супроводжується як утворенням хвилі суперпозиції існуючих хвиль модуляцій (N<5 - для кристала [N(CH₃)₄]₂CuCl₄), так і доменоподібною будовою кристала (N>5 - для кристала [N(CH₃)₄]₂CuCl₄).

8. Деформація модульованої надструктури внаслідок дії механічного та електричного полів зумовлює зміну динаміки солітонної гратки. За умови, коли зовнішнє поле є „своїм” полем, його дія супроводжується пониженням вільної енергії кристала, а, отже, зменшенням жорсткості солітонної системи, і, як наслідок, розширенням температурного інтервалу існування хаотичної фази (ДТД_b =6,5Ч10^-7KЧм²Н для кристалу Cs₂CdBr₄).

9. Деформація модульованої надструктури внаслідок дії механічного та електричного полів зумовлює зміну динаміки солітонної гратки. За умови, коли зовнішнє поле є „своїм” полем, його дія супроводжується пониженням вільної енергії кристала, а, отже, зменшенням жорсткості солітонної системи, і, як наслідок, розширенням температурного інтервалу існування хаотичної фази.

ГОЛОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ ОПУБЛІКОВАНО У ПРАЦЯХ

Свелеба С.А. Природа ефекту термооптичної памяті в несумірній фазі кристалів групи А₂ВХ₄ / Свелеба С.А., Катеринчук І.М., Семотюк О.В., Куньо І.М. // Вісник Львівського Університету. Серія фізична. - 2004. Вип. 37. - С. 268-273.

Свелеба С.А. 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.

Свелеба С. Скорельований рух Т-груп у парафазі кристалів [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ / Свелеба С., Катеринчук І., Семотюк О., Фіцич О. Панківський Ю., Куньо І. // Вісник Львівського Університету. Серія фізична. - 2006. Вип. 39. - С. 76-81.

Куньо І. Поворот оптичної індикатриси в неспівмірній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Куньо І., Карпа І., Свелеба С., Катеринчук І., Семотюк О., Фіцич О., Панківський Ю. // Вісник Львівського Університету. Серія фізична. - 2007. Вип. 40. - С. 42-48.

Свелеба С. Вплив напруженості електричного поля на модульовану структуру кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Свелеба С., Куньо І., Катеринчук І., Семотюк О., Карпа І., Фіцич О., Панківський Ю. // Вісник Львівського Університету. Серія фізична. - 2007. Вип. 40. - С. 122-129.

Sveleba S. 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 and Yu. Pankivskyi // Acta Physika Polonika (a). - 2008 Vol. 114, No. 4. - P. 791-806.

Свелеба С. Перехід між метастабільними станами у неспівмірній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ / Свелеба С., Семотюк О., Катеринчук І., Куньо I., Фіцич О. // Вісник Львівського Університету. Серія фізична. - 2008. Вип. 42. - С. 90-101.

Свелеба С.А. Двозаломлюючі та діелектричні властивості у вихідній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / С.А. Свелеба, І.М. Катеринчук, I.В. Карпа, О.В. Семотюк, З. Чапля // Український фізичний журнал. - 2008 - Т. 53, № 11. - С.1099-1101.

Куньо І. Ефект термооптичної памяті в неспівмірній фазі кристалу [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ / Куньо І., Семотюк О., Катеринчук І., Свелеба С // Збірник тез Ювілейної наукової конференції, присвяченої 25-річчю кафедри нелінійної оптики. - Львів (Україна). 23-24 вересня 2004. - С. 44.

Куньо І. Поворот тетраедричних груп у вихідній фазі кристала [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Куньо І., Карпа І., Свелеба С., Катеринчук І., Семотюк О., Клебан В // Збірник тез Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоритичної та експериментальної фізики. еврика - 2006. - Львів (Україна). 15-17 травня 2006. - С. 62

Карпа І. Вплив радіаційних дефектів на скорельований рух тетраедричних груп в кристалі [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Карпа І., Куньо І., Свелеба С., Клебан В // Збірник тез Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоритичної та експериментальної фізики. еврика - 2006. - Львів (Україна). 15-17 травня 2006. - С. 61.

Карпа І. Природа повороту оптичної індикатриси в неспівмірній фазі кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Карпа І., Куньо І., Свелеба С., Катеринчук І., Семотюк О // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. еврика - 2007. - Львів (Україна). 22-25 травня 2007. - С. 23.

Sveleba S. The multimode state of modulated structure of the thetramethylamin-tetrachlormetalate crystals / S. Sveleba, O. Semotyuk, I. Katerynchuk, I. Kunyo, I. Karpa, Yu. Pankivskyi // Abstract book XIII th International seminar on physics and chemistry of solids. ISPCS'07. Ustron Slaski k/Czestochowy (Poland). 10 - 13 czerwca 2007. - P. 27.

Sveleba S. A. The Modulated Structure Dynamics in Incommensurate Phase of the [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ and [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ Crystals. / S. A. Sveleba, I. M. Katerynchuk, O. V. Semotuk, I. M. Kuno, I. V. Karpa and Yu. I. Pankivskyi // Abstract book 11th European Meeting on Ferroelectricity. 3-7 September 2007. Bled (Slovenia). - P. 207.

Куньо. І.М. Багатохвильові модульовані стани в кристалі [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / І.М. Куньо, С.А Свелеба, І.М Катеринчук, О.В. Семотюк, І.В. Карпа // Збірник тез Конференції молодих вчених з фізики напівпровідників „Лашкарьовські читання - 2008”. Київ (Україна). 21-23 квітня 2008. - С. 33.

Куньо І. Двозаломлюючі і діелектричні властивості кристалів [N(CH₃)₄]₂CuCl₄ у вихідній фазі / Куньо І., Свелеба С., Карпа І., Катеринчук І., Семотюк О // Збірник тез Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. еврика - 2008. - Львів (Україна). 19-21 травня 2008. - D. 7.

Карпа І. Вплив розмірів зразків на температури фазових переходів вихідна-неспівмірна-сегнетоелектрична фази кристалів [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ / Карпа І., Свелеба С., Куньо І., Катеринчук І.,Семотюк О., Фіцич О // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. еврика - 2008. - Львів (Україна). 19-21 травня 2008. - D. 8.

Свелеба C. Розмірні ефекти в кристалах [N(CH₃)₄]₂CuCl₄. / C. Свелеба, І. Карпа, І. Катеринчук, І. Куньо, О. Семотюк, О. Фіцич // Збірник тез III Міжнародної науково-практичної конференції „Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” присвячено 90-річчю НАН України. Кременчук (Україна). 21-23 травня 2008. - С. 75.

Kunyo I. Dynamics of soliton lattice collective motion in the incommensurate phase of [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ crystal / I. Kunyo, S. Sveleba, I. Katerynchuk, O. Semotyuk, I. Karpa, Yu. Pankivsky // Abstract book XIV th International seminar on physics and chemistry of solids. ISPCS'08. Lviv (Ukraine) 1- 4 june 2008. - P. 49.

Kunyo I.M. The behavior of thermal conductivity in the chaotic phase of [N(CH₃)₄]₂ZnCl₄ crystal / I.M. Kunyo, S.A. Sveleba, O.V. Semotyuk, I.M. Katerynchuk, I.V. Karpa, and Yu.I. Pankivskyi // Abstract book IX Polish - Ukrainian meeting and XXIX international school on ferroelectrics physics. Krakow (Poland). 14 - 18 September 2008. P. 9.

Свелеба С. Динаміка солітонної гратки в умовах сильного піннінгу / С. Свелеба, І. Куньо, І. Карпа, І. Катеринчук, О. Семотюк, О. Фіцич, Ю. Панківський // Збірник тез IV Міжнародної наукової конференція Фізика невпорядкованих систем (PDS 2008) присвячена 75-річчю від дня народження професора Ярослава Дутчака. Львів (Україна) 14-16 жовтня 2008 р. c 109.

АНОТАЦІЯ

Куньо І. М. Динаміка модульованої структури в діелектричних кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me= Cu; Zn; Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄, в умовах сильного піннінгу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Фізико-технічного інституту низьких температур ім.Б.І.Вєркіна НАН України, м.Харків, 2008.

У дисертаційному дослідженні проведені комплексні дослідження впливу різних зовнішніх чинників (температури, одновісного тиску і електричного поля вздовж різних кристалографічних напрямів) на динаміку модульованої структури в кристалах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me= Cu; Zn; Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄. Встановлено зокономірності динаміки модульованої надструктури в умовах сильного піннінгу.

У солітонному режимі неспівмірної модуляції за умови існування хвилі густини дефектів виникає новий багатохвильовий стан неспівмірної модульованої структури, який характеризується або суперпозицією декількох хвиль модуляції в одному кристалографічному напрямку, або кристал приймає доменоподібну будову, яка характеризується різною періодичністю надструктури. За умови існування декількох хвиль густини дефектів в кристалі реалізується стохастичний режим неспівмірної надструктури з утворенням хаотичної фази.

Встановлено, що збільшення енергії взаємодії надструктури з базовою структурою зумовлює зміну динаміки неспівмірної надструктури, спричиняючи зменшення температурного інтервалу неспівмірної фази та розширення температурного інтервалу існування метастабільних станів. Деформація кристалічної структури внаслідок дії електричного поля та механічного напруження супроводжується пониженням енергії взаємодії між солітонами, спричиняючи закріплення солітонів атомами базової структури у випадкових положеннях.

Ключові слова: неспівмірна фаза, метастабільні стани, перехідні області, солітон, багатохвильовий стан.

АННОТАЦИЯ

Куньо И. М. Динамика модулированной структуры в диэлектрических кристаллах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me= Cu; Zn; Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ и Cs₂CdBr₄, в условиях сильного пиннинга. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Физико-технический институт низких температур им.Б.І.Веркина НАН Украины, г. Харьков, 2008.

Диссертация посвящена изучению закономерностей влияния различных внешних параметров (температуры, одноосного давления и электрического поля) на динамику модулированной сверхструктуры в кристаллах [N(CH₃)₄]₂MeCl₄ (Me= Cu; Zn; Mn), Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ и Cs₂CdBr₄. Исследовано особенности закономерностей динамики модулированной сверхструктуры в условиях сильного пиннинга.

В солитонном режиме несоразмерной модуляции при условии существования волны плотности дефектов возникает многоволновое состояние модулированной сверхструктуры, которое характеризуется суперпозицией нескольких волн модуляции в одном кристаллографическом направлении, или кристалл принимает доменоподобное строение, которое характеризуется разной периодичностью сверхструктуры. При условии существования нескольких волн плотности дефектов в кристалле реализуется стохастичний режим несоразмерной сверхструктуры с образованием хаотичной фазы. Установлено, что увеличение энергии взаимодействия сверхструктуры с базовой структурой, приводит к уменьшению температурного интервала существования несоразмерной фазы и увеличению температурного интервала существования метастабильных состояний. Деформация кристаллической структуры вследствие воздействия на неё электрического поля и механического напряжения сопровождается понижением энергии взаимодействия между солитонами, приводя к закреплению солитонов атомами базовой структуры в случайных положениях.

...