Динамика решеток, фазовые переходы и нанокластеры в кристаллах чистых и смешанных галогенидов одновалентной ртути

• Автор: Рогинский, Евгений Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Глава 1. Физические свойства галогенидов одновалентной ртути и структурный фазовый переход в них

§1. Кристаллическая структура и химическая связь

^2. Выращивание кристаллов, физические свойства

§3. Фононные спектры

§4. Сегнетоэластический фазовый переход в Щ2Нар

$5. Термодинамический потенциал

Глава 2. Методика эксперимента

§ 1. Спектроскопия комбинационного рассеяния

§2. Рентгеноструктурный анализ

Глава 3. Фазовые переходы, параметр порядка и его флуктуации в кристаллах

Яg2Cl2, Щ2Вг2 и НцгЕ

§1. Фундаментальные рефлексы и их температурное поведение в Щ2С12, Нр2Вг2Ромбическое расщепление, изотропная и сдвиговая деформации
§2. Диффузное рентгеновское рассеяние, кластеры и их температурное поведение
§3. Параметр порядка и температурные области его флуктуаций
Глава 4. Оптические исследования чистых и смешанных кристаллов ^2(Вг,1)2
§1. Спектры комбтагщонного рассеяния кристаллов Р^2(Вг,1)2. Разномодовое
поведение фононов. Полярные нанокластеры
§2. Спектроскопия мягких мод как в парафазе, так и в сегнетоэпастической фазе
кристаллов Щ2(Вг,1)2
Глава 5. Рентгеноструктурные исследования смешанных кристаллов Щ2(Вг,1)2
§1. Фундаментальные рефлексы и их температурное поведение, сдвиговые и
изотропные деформации
§2. Диффузное рентгеновское рассеяние и его температурное поведение
$3. Фазовая диаграмма, концентрационная зависимость температуры фазового
перехода
Заключение
Литература

Наиболее перспективные направления развития фундаментальной и прикладной физики твердого тела связывают, в основном, с исследованиями веществ в экстремальных внешних условиях (высоких электрических и магнитных полях, высоких давлениях, низких и высоких температурах), а также в особых, экстремальных состояниях. К таковым, в частности, относятся состояния веществ вблизи точек фазовых переходов (ФП). Именно в этих областях исследований до сих пор существует много проблем принципиального характера. Одной из наиболее интересных и сложных является проблема структурных ФП в кристаллах [1-7]. Проблема объединяет большой круг физических явлений, таких как ферромагнетизм, сегнетоэлектричество, мартенситные переходы, сверхпроводимость и др.
Для широкого класса кристаллов при фазовом переходе характерно появление спонтанной поляризации (сегнетоэлектрики) или спонтанной деформации (сегнетоэластики) [6,9]. При этом в окрестности фазового перехода, где кристаллическая решетка лабильна и свойства кристаллов нелинейны и экстремальны, имеют место • аномалии большинства их физических свойств. Возможность внешнего воздействия на
фазовый переход в этой области способствует практическому использованию этих кристаллов в технике. Например, сегнетоэлектрики в последние годы успешно используются в квантовой электронике и нелинейной оптике.
Актуальным для нас является исследование структурных фазовых переходов. Первоначально экспериментальные методы (рентгеноструктурный анализ, тепловые и диэлектрические измерения) применялись, в основном, для изучения макроскопических и статических свойств кристаллов при структурных фазовых переходах. Теоретическое описание на этом макроскопическом уровне адекватно и вполне успешно осуществлялось с помощью феноменологической теории Ландау [1], которая помимо симметрийного анализа устанавливала и необходимую для эксперимента связь между различными термодинамическими параметрами при структурном переходе.
Исследование структурных ФП имеет чрезвычайно большое значение не только для фундаментальной, но и для прикладной науки. В настоящее время практическое применение сегнетоэлектрических кристаллов основано, в том числе, на использовании их ф линейных электрооптических свойств вдали от точки перехода. Однако в недалеком
будущем основное внимание будет сконцентрировано на использовании в практике особых свойств этих кристаллов в окрестности ФП. Именно экстремальность величин и нелинейность многих физических свойств таят немало новых, необычных эффектов, которые могут быть с успехом применены в технике [10].

Специфика структурных ФП (часто встречающаяся многокомпонентность параметра порядка, связь его со сдвиговой деформацией и колебательными модами, а также наличие сильно анизотропных дальнодействующих сил) затрудняют последовательный анализ критических явлений и часто приводят к противоречивым выводам [11]. В реальных же твердых телах, как показывают накопленные экспериментальные данные, в момент ФП возникают еще более сложные явления [12-14]. Конкретная форма превращения в этом случае, помимо флуктуации, в значительной мере определяется еще целым рядом других факторов: наличием дефектов, процессами зародышеобразования, возникновением несоразмерных предпереходных структур и т.д. Причем, как правило, не ясно какой из факторов и в какой момент начинает играть доминирующую роль в процессе превращения. Поэтому, исследования особенностей поведения конкретных кристаллов вблизи точки ФП выдвинулись сейчас на одно из центральных мест в области изучения ФП в твердых телах [11].
Такие методы исследования как, например, лазерная спектроскопия, рассеяние нейтронов, резонансные методы, созданные в последние десятилетия, позволили перейти Л к исследованию структурных переходов уже на микроскопическом уровне и потребовали
развития соответствующих микроскопических теорий. Наиболее успешной здесь оказалась концепция "мягкой" моды, неустойчивой в гармоническом приближении фононной моды, ответственной за структурный фазовый переход, частота которой стремится к нулю при приближении к температуре фазового перехода [8-10]. Эти представления оказались исключительно плодотворными при исследовании сегнетоэлектриков, сегнетоэластиков, а также других кристаллов.
Концепция мягкой моды тесно переплетается с теорией фазовых переходов Ландау. В сущности, эти две теории дают эквивалентное описание структурных фазовых переходов. Экспериментальное исследование термодинамических величин и поведения мягких мод в области температуры (давления) фазового перехода позволяет количественно определить параметры термодинамического потенциала Ландау и описать особенности механизма фазового перехода в конкретной кристаллической системе.
Развитие исследований структурных фазовых переходов в твердом теле привело к выделению нового класса несобственных сегнетоэлектрических и сегнетоэластических Ф переходов [9,15]. Значительную роль в этом вопросе сыграла концепция сегнетоэластиков,
введенная в [9] в 1969 году. Из этого и последующих [10] подходов к этой проблеме стала ясна общность различных типов структурных фазовых переходов (от сегнетоэлектрических до мартенситных). С другой стороны вскоре стало достаточно ясно, что на макро- и на микроуровне сегнетоэластики обнаруживают ряд существенных

отрицательной области температур Кельвина и составляет порядка Т=-20К. На рис. 3.13 приведены температурные зависимости амплитуды диффузных максимумов и инверсной интенсивности для кристаллов ЩгЬ- Видно, что при охлаждении (Т —> Тс) амплитуда резко увеличивается, а экстраполяция инверсной интенсивности к нулю (штриховая линия на рис. 3.13) дает фиктивную температуру виртуального фазового перехода ТС=-20К, которая совпадает со значением, полученным из экстраполяции температурной зависимости обертона мягкой моды с границы ЗБ (Х-точка) [65].
Температурная зависимость восприимчивости кристаллов также была
построена в двойном логарифмическом масштабе (рис.3.12в) с целью получить значение критического индекса который оказался, как и в случае кристаллов ЩгВгг и Н^СИг равным 1.0±0.1. Однако, замедление роста амплитуды диффузных максимумов замечено не было, что логично связать со значительной удаленностью от температуры виртуального фазового перехода (-20К), даже при очень сильном охлаждении образца (вплоть до 10К).
1Е(т)
Рис. 3.12а. Зависимость амплитуды А Рис. 3.126. Зависимость амплитуды А диффузных максимумов (3.5,2.5,0) в Щ2С12 от диффузных максимумов (2.5,1.5,0) в Р^Вг2 от приведенной температуры в двойном приведенной температуры в двойном логарифмическом масштабе. Точки - логарифмическом масштабе. Точки ф эксперимент, прямая - линейная аппроксимация, эксперимент, прямая - линейная аппроксимация.