ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
RENEWABLE ENERGY
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 19.03.15. Ред. рег. № 2201 УДК 538.22
The article has entered in publishing office 19.03.15. Ed. reg. No. 2201
МАГНИТОДОМЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В МОНО- И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
С.А. Гриднев
Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел.: (0732)466647, e-mail: s_gridnev@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 22.03.15 Заключение совета экспертов: 25.03.15 Принято к публикации: 28.03.15
Сделан краткий анализ результатов исследований по влиянию постоянного магнитного поля на кинетику доменной структуры и диэлектрические свойства моно- и поликристаллических сегнетоэлектриков. Рассмотрены магнитодоменные взаимодействия в сегнетоэлектриках, приводящие к изменению характеристик детерминированного хаоса, диэлектрической релаксации и магнитодиэлектрического эффекта. Обсуждается механизм возникновения магнитного момента, создаваемого током переполяризации, при боковом движении 180° доменной стенки.
Ключевые слова: сегнетоэлектрик, магнитодиэлектрический эффект, размытый фазовый переход, доменная граница, магнитный момент, детерминированный хаос, диэлектрическая релаксация.
MAGNETODOMAIN EFFECTS IN MONO- AND POLYCRYSTALLINE FERROELECTRIC MATERIALS
S.A. Gridnev
Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia Tel.: (0732)466647, e-mail: s_gridnev@mail.ru
Referred: 22.03.15 Expertise: 25.03.15 Accepted: 28.03.15
A brief analysis of the research data on the influence of constant magnetic field in the kinetics of domain structure and dielectric properties of mono- and polycrystalline ferroelectrics was made. Magnetodomain interactions in ferroelectrics leading to a change in characteristics of deterministic chaos, dielectric relaxation and magnetodielectric effect have been considered. The mechanism of the magnetic moment appearing at a lateral movement of 180° ferroelectric domain wall is discussed.
Keywords: ferroelectric, magnetodielectric effect, diffused phase transition, domain boundary, magnetic moment, deterministic chaos, dielectric relaxation.
№ 03 (167) Международный научный журнал
Станислав Александрович Гриднев
Stanislav A. Gridnev
Сведения об авторе: Заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры физики твердого тела ВГТУ, Соросовский профессор, член Научного совета по физике сегнетоэлектриков и диэлектриков РАН.
Область научных интересов: сегнетоэлектрики, сегнетоэластики, релаксоры, дипольные стекла, суперионики, ВТСП, аморфные материалы, релаксационные явления, магнитоэлектрические взаимодействия.
Публикации: 6 книг, свыше 350 статей, 20 авторских свидетельств и 3 патента.
Author information: Honoured Science Worker of Russian Federation, Honourable Worker of professional high education of Russian Federation, Doctor of physical-mathematical sciences, Professor of the solid state physic department, Voronezh State Technical University, Soros Professor, a member of the scientific council on ferroelectric and dielectric physics of the Russian Academy of Sciences.
Main research interests: ferroelectrics, ferroelastics, relaxors, dipolar glasses, superionics, HT-superonductors, amorphous materials, relaxation effects, magnetoelectric interactions.
Publications: 6 books, more than 350 papers, 20 author's certificates and 3 Russian patents.
Введение
В последние годы вновь стала чрезвычайно актуальной проблема влияния слабого магнитного поля на механические, электрические, транспортные и многие другие свойства кристаллов [1-4]. Магнитоэлектрические взаимодействия в немагнитных сегне-тоэлектрических кристаллах, в которых влияние магнитного поля не связано с симметрийными кристаллографическими закономерностями, вызывают особо пристальный интерес исследователей [5-7]. Теоретические аспекты эффектов, возникающих в сегнетоэлектриках во внешних магнитных полях, рассматривались в рамках вибронной теории [8], термодинамического подхода [9, 10], на основе модели возникновения магнитного момента, создаваемого током переполяризации кристалла при боковом смещении доменной границы [11] или при движении фазовой границы [12]. Что касается экспериментальных исследований, то в них можно выделить два основных направления: изучение влияния внешнего магнитного поля на фундаментальные свойства сег-нетоэлектриков (температуру Кюри, частоту мягкой моды и пр.) [13-16] и исследование эффектов, связанных с взаимодействием магнитного поля с неравновесной доменной структурой [17-22]. Результаты исследований [22] показали, что влияние магнитного поля при напряженностях до 20 кЭ становится заметным лишь в области температур вблизи точки фазового перехода при непрерывном изменении температуры, когда доменная структура является неравновесной. Однако многочисленные опубликованные в литературе данные и их трактовка весьма противоречивы, поэтому проблему вряд ли можно считать закрытой. В связи с этим очевидна целесообразность изучения влияния магнитного поля на кинетику доменной структуры сегнетоэлектрика, что характеризуется изменением пространственного положения доменных границ и сопровождается динамическим изменением спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости кристалла.
Влияние магнитного поля на хаотические
колебания в кристаллах сегнетоэлектриков
Поскольку сегнетоэлектрические кристаллы являются существенно нелинейными электрическими системами, в которых экспериментально наблюдается возникновение детерминированного хаоса [23, 24], то в ряде работ для изучения влияния постоянного магнитного поля на особенности свойств сегне-тоэлектриков был выбран метод детерминированного хаоса в качестве метода, высокочувствительного к динамике доменной структуры, так как проявление нелинейности в сегнетоэлектрике в динамических режимах под действием переменного электрического поля отражает соответствующую перестройку доменной структуры кристалла. Например, в [25, 26] были исследованы условия возникновения хаотических колебаний в последовательном £СК-контуре, содержащем в качестве нелинейного элемента сегнетоэлек-трический конденсатор из образца 7-среза монокристалла триглицинсульфата (СН2МН2С00Н)3-Н2804 (ТГС), который переполяризовывался внешним синусоидальным напряжением при температурах ниже точки Кюри (ТС = 49,5 °С). Выбор кристалла ТГС в качестве объекта исследования был обусловлен тем, что, во-первых, его диэлектрические и поляризационные свойства, а также динамика доменов достаточно хорошо изучены, т.е. ТГС является модельным кристаллом, и, во-вторых, его доменная структура отличается высокой подвижностью и чувствительностью к внешним воздействиям, поэтому можно было ожидать заметного ее изменения в магнитном поле. Постоянное магнитное поле создавалось электромагнитами, а его напряженность измерялась датчиком Холла.
Изучение хаотического поведения колебаний в электрическом контуре осуществлялось с помощью схемы, показанной на рис. 1, посредством визуального наблюдения и последующего фотографирования с экрана осциллографа фазового портрета исследуемой нелинейной динамической системы, т. е. зависимости Р (Р), где Р - поляризация сегнето-электрика, а Р -производная по времени от поляризации.
№ 03 (167) Международный научный журнал
Рис. 1. Схема для наблюдения фазового портрета последовательного резонансного контура
с сегнетоэлектрическим образцом [25]: 1 - образец ТГС; 2 - вход «Х»; 3 - вход «Y» Fig. 1. Equipment for recording the phase portrait of a series-resonance circuit [25]: 1 - a sample of TGS; 2 - input "X"; 3 - input "Y"
В этой схеме параметры колебательной системы Ь, С и Я были постоянными в процессе измерений, а изменялись амплитуда и0 и частота ю приложенного к образцу напряжения, а также температура Т в измерительной ячейке. Для получения изображения фазового портрета на экране осциллографа на его горизонтальные пластины (вход «Х») подавалось напряжение их с эталонного линейного конденсатора С, пропорциональное Р, а на вертикальные пластины (вход «7») - напряжение иу с резистора Я, пропорциональное Р . Поведение нелинейного ЬСЯ-контура с сегнетоэлектриком может быть описано уравнением Дуффинга, хорошо известным в теории нелинейных колебаний [23, 24, 27]:
P + pP + kP + yP3 = U0 cos roí,
(1)
где Р - поляризация сегнетоэлектрического кристалла; р = Я/Ь; к = аё/£Ь; у = Рё/£Ь; ё - толщина образца; £ - площадь электрода; а и в - термодинамические коэффициенты в разложении по Ландау свободной энергии кристалла в ряд по четным степеням поляризации.
Анализ (1) показал, что наряду с периодическими решениями оно допускает при определенных условиях переход к хаотическим колебаниям через последовательность бифуркаций периода колебаний. В экспериментах наступление хаоса отмечалось как заполнение фазовой траекторией некоторой области фазового пространства, и при постоянной температуре регистрировалось электрическое поле Е1, при котором возникает хаос, и поле Е2, при котором исчезают хаотические колебания с ростом поля.
Исследования показали, что в слабых переменных электрических полях фазовый портрет кристалла ТГС представляет собой замкнутую кривую (рис. 2, а). По
мере увеличения амплитуды переполяризующего поля Е однопериодный процесс сменяется удвоением периода (рис. 2, Ь), затем происходит учетверение периода и т.д., т.е. возникает каскад удвоений периода колебаний. В результате последовательного развития этого процесса при Е = Е1 фазовые траектории становятся незамкнутыми, не повторяются и полностью заполняют область фазовой плоскости - наступает хаос (рис. 2, с). Дальнейшее увеличение поля приводит к тому, что при Е = Е2 хаотические колебания в контуре исчезают (рис. 2, ё). Таким образом, хаос в кристалле ТГС наблюдается только в интервале полей Е1 - Е2.
Рис. 2. Фазовый портрет контура с образцом номинально чистого кристалла ТГС для разных амплитуд переполяризующего поля E [26]: E < E1 (a); E = E2T (амплитуда поля, при кото
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.