КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 6, с. 1115-1125
ДИНАМИКА РЕШЕТКИ ^^^^^^^^^^^^ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
УДК 548.0:535:537;537.226:228
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ 8В1Ч: СРАВНЕНИЕ С МОДЕЛЬНЫМ СЛУЧАЕМ (ДТГС)
© 2004 г. Н. Р. Иванов, Т. Р. Волк, Л. И. Ивлева*, С. П. Чумакова, А. В. Гинзберг
Институт кристаллографии РАН, Москва * Институт общей физики РАН, Москва Поступила в редакцию 18.09.2003 г.
Показано, что ряд наблюдаемых особенностей переполяризации и монодоменизации сегнетоэлектри-ческого кристалла 8БМ-0.61 и ДТГС (модельного объекта) электрическим полем - замедленная или неполная монодоменизация в сильном поле, деградация петель гистерезиса, временная зависимость и эффект памяти остаточной доменной плотности - связан с заторможенным дефектами движением вперед (прорастанием) динамических доменов с "заряженными" наклонными стенками при отсутствии бокового движения.
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы твердых растворов 8гхБа1 _ хКЬ206 (8В^х) являются тетрагональными одноосными сегнетоэлектриками с размытым фазовым переходом типа смещения, сопровождающимся изменением точечной симметрии 4/ттт —► 4тт; они относятся к структурному типу незаполненных частично разупорядоченных вольфрамовых бронз, обладают в сегнетоэлектрической фазе весьма высокими значениями спонтанной поляризации, диэлектрических, пироэлектрических, пьезоэлектрических, электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов [1, 2], а также релаксорным диэлектрическим поведением в окрестности и выше фазового перехода [1, 3]. В связи с этим кристаллы ¿БК являются интересными объектами как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных разработках. Однако такие традиционные аспекты сегнетоэлектричест-ва, как доменная структура и процесс переполяризации ("переключение"), стали исследоваться в кристаллах ¿БК лишь сравнительно недавно отчасти в связи с перспективами создания и использования регулярных (периодических) доменных структур для эффективного преобразования частоты лазерного излучения в режиме квазифазового синхронизма. Исследование двумерных сечений статической доменной структуры ¿БК методами сканирующего электронного микроскопа [4], рентгеновской топографии [5], химического травления [6] выявило специфику доменной структуры во всех составах этого кристалла _ существование длинных (иглообразных) доменов с поперечным сечением ~10 мкм и длиной ~1 мм. Эту относительно крупную статическую доменную структуру удалось охарактеризовать как острые четырехгранные пирамидальные иглы, проникающие от поверхности в глубь пластинки [7].
Однако динамическая (образующаяся и движущаяся в электрическом поле в процессе переключения кристалла) и более мелкая доменная структура пока надежно не установлена и для реального кристалла в достаточной степени не изучена.
В настоящей статье наблюдающиеся в ¿БК явления усталости (деградация петель гистерезиса при последовательных циклах переключения [8, 9]), а также эффект памяти (записи и последующего воспроизведения заданного уровня поляризации кристалла) будут обсуждаться в связи с особенностями переключения посредством движения наклонных (заряженных) доменных стенок в кристалле с дефектами. При этом делается попытка сравнения с переключением сегнетоэлект-риков модельной группы триглицинсульфата (ТГС), в частности дейтерированного триглицинсульфата (ДТГС). Обоснованность этого сравнения связана в первую очередь с качественным сходством переключения ¿БК и ДТГС: как показано ниже, в обоих кристаллах переключение идет посредством движения наклонных "заряженных" доменных стенок, а не путем бокового перемещения "незаряженных" стенок цилиндрических статических доменов, как это до сих пор было принято считать для всех сегнетоэлектри-ков [10-12]. Выбор "аналога" обусловлен и другими мотивами: ДТГС _ также сегнетоэлектричес-кий одноосный твердый раствор с зависимостью точки перехода от состава (изотопического замещения); сопоставимы значения пьезомодулей, коэрцитивных полей и удаленности от точки перехода при проведении исследований при комнатной температуре. Кроме того, наблюдается сходство форм петель гистерезиса, содержащих помимо "быстрого" интересующий нас "медленный" участок выхода на насыщение. Методы исследования динамики доменов в этих кристаллах
различны, но являются взаимодополняющими. Динамическая картина переключения в 8БК (доменная плотность и ее изменение во времени) установлена в основном с помощью электрооптического (ЭО) метода - измерения петель ЭО-гис-терезиса. Перспективный для динамической визуализации доменов в кристаллах группы ТГС "метод НЖК (нематических жидких кристаллов)" [10] оказался недостаточно информативен для визуализации мелких деталей быстрого движения доменов в 8БК из-за слабости ориентационного контраста НЖК на его боковой поверхности [7]. Напротив в ДТГС, где ЭО-метод неэффективен из-за малости ЭО-эффекта, а также более неоднородного (в масштабе разрешения ЭО-метода) распределения поляризованности, метод НЖК позволил визуализовать с хорошим контрастом и фиксировать на видео в реальном времени состояние доменной структуры и ее динамику в двух главных неполярных срезах. Прямое исследование доменной плотности по ЭО петле гистерезиса, используемое для 8БК, в случае ДТГС было заменено более чувствительным и усредненным косвенным исследованием "доменного вклада" в низкочастотную реверсивную диэлектрическую проницаемость.
В процессе переключения исследуемых кристаллов можно выделить "быструю" (основную) и "медленную" (завершающую) стадии. В данной работе мы ограничимся рассмотрением завершающей стадии процесса - приближением к насыщенному состоянию (состоянию монодоменнос-ти), когда средняя по образцу остаточная доменная плотность делается менее 5%. Новые результаты о коллективной "быстрой" стадии переполяризации предполагается опубликовать отдельно.
Несмотря на важные различия в форме и локализации остаточных доменов в ДТГС и 8БК, главное сходство процессов переключения проявляется в движении именно заряженных доменных границ и соответственно в переключении обоих кристаллов путем прорастания доменов "вперед" (например, от электрода к электроду в относительно толстых пластинках). Более того, без подробного визуального исследования и понимания трехмерной структурной динамики доменов в ДТГС трудно было бы понять ситуацию в более симметричном, дефектном, слоистом и мелкодоменном 8БК.
РОСТ КРИСТАЛЛОВ, ОБРАЗЦЫ
Монокристаллы твердых растворов 8БК-0.61 размером 12 х 24 х 110 мм были выращены в форме профилированных буль по модифицированному методу Степанова из конгруэнтного расплава с использованием ориентированного формообра-зователя [13]. Известно, что при росте 8Бк по ме-
тоду Чохральского избежать проявлений зависящей от скорости вытягивания ростовой полосчатости [2] в области стабильного роста едва ли возможно. Поскольку полосчатость связывают с флуктуациями состава твердых растворов [14], в частности соотношения Ба/8г [2], такие кристаллы могут иметь макроскопически "модулированную" поляризацию и связанные заряды, взаимодействующие с доменной структурой. Исследуемые в данной работе образцы также имели ростовую полосчатость (с периодом 24 мкм), однако используемый метод роста позволял значительно снизить контраст полос, т.е. амплитуду модуляции состава и двупреломления почти до предела возможностей фазово-контрастной микроскопии [15]. Технология выращивания в целом обеспечивала получение кристаллов высокого оптического качества.
Крупные кристаллы ДТГС с температурой сегнетоэлектрического перехода 59°С были получены методом однократной кристаллизации при снижении температуры 96%-ного дейтериро-ванного раствора; образцы вырезались из одной из четырех больших ростовых пирамид ш-типа, поэтому организация ростовых слоев с осажденными дефектами была наклонной к полярной оси Ь. Присутствие этих слоев не выявляется по плотности или показателям преломления, как в 8БК, но заметно по НЖК-топографии переключения полярных срезов. Преимущество ДТГС перед другими сегнетоэлектриками, также обладающими рассматриваемым типом движения доменов, состоит в эффективности анизотропного молекулярного взаимодействия НЖК с главными неполярными поверхностями этого кристалла, химическая чистота которых достигалась с помощью ориентированного раскалывания.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Петли гистерезиса в 8БК исследовались динамическим ЭО-методом с высокой фазовой чувствительностью 2п х 10-6. ЭО-сигнал возбуждался переменным измерительным полем с эффективной напряженностью 6 В/см и частотой 1000 Гц (случай механически свободного кристалла). Переполяризация осуществлялась приложением пилообразного поля Е с периодом 27 мин и амплитудой |±5.6 кВ/см | > |ЕС | = 2-2.5 кВ/см, где Ес - коэрцитивное поле основного процесса переключения. Использование почти параллельного тонкого луча диаметром 0.1 мм одномодового Не-№ лазера (к = 633 нм) позволяло регистрировать квазилокальную электрооптическую реакцию образца на внешнее электрическое поле и получать пространственное распределение ЭО-коэффициента при сканировании образца [16]. Поскольку фоточувствительность нелегированного 8БК-0.61 в окрестности к = 633 нм мала, при малой мощнос-
ти лазера распределение поля можно считать однородным. При используемой поперечной геометрии (Е || г, к 1 г) измеряемой величиной является линейный ЭО-коэффициент
Г0 = |Г33 - (и0 /Пе)3Г13|. (1)
Как известно, все линейные ЭО-коэффициенты являются результатом линеаризации квадратичных [17], и г33, в частности, выражается следующим образом:
г33 = 2gззPs£зe0, (2)
где Р5 - спонтанная поляризация и £33 - коэффициент квадратичного по поляризации ЭО эффекта в центросимметричной фазе. Из (2) следует, что в полидоменном кристалле эффективный коэффициент г < г0, причем г(Е) имеет вид петли гистерезиса. Петлю г(Е) можно нормировать к ±1, разделив г на г0(Е = 0). При нормировании на константу форма "насыщенных" ветвей петель ЭО-гистерезиса, как будет видно ниже, отличается от формы петель диэлектрического Р(Е) гистерезиса в насыщении. Это различие обусловлено диэлектрической нелинейностью £3(Е) и интерпретируется как вклад квадратичн
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.