КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 1, с. 111-115
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
УДК 548:535
ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ K2SO4 © 2014 г. В. И. Стадник, О. З. Кашуба, Р. С. Брезвин, Б. В. Андриевский*, В. М. Габа**
Львовский национальный университет, Украина E-mail: vasylstadnyk@ukr.net *Кошалинский технологический университет, Польша **Национальный университет "Львовская политехника", Украина Поступила в редакцию 15.01.2013 г.
Исследовано влияние одноосных давлений, приложенных вдоль главных кристаллофизических направлений, на дисперсионные и температурные зависимости двупреломления кристаллов K2SO4. Установлено, что двупреломление достаточно чувствительно к действию одноосных давлений. Исследованы спектральные и температурные зависимости комбинируемых и абсолютных пьезоопти-ческих коэффициентов данных кристаллов. Обнаружены их значительные аномалии при сегнето-эластическом фазовом переходе, обусловленные изменением индуцированного двупреломления за счет возникновения спонтанной деформации. Проведено разделение вкладов от электрооптического и упругооптического эффектов в спонтанные изменения пьезоконстант.
DOI: 10.7868/S0023476114010160
скую сегнетоэластическую фазу с пр. гр. бЦ - Pmcn (c0 = 7.48, b0 = 10.07, a0 = 5.76 A, Z = 4 [4]). Исследование дифракции рентгеновских лучей [5] показало, что структура протофазы кристаллов СК является центросимметрической с
пр. гр. D66h - P63/mmc (c1 = 7.90, b1 = 10.12, a1 = 5.84 A, Z = 2, при этом a0 || c1 [6]). Сегнетоэластический ФП в кристаллах СК происходит через промежуточную фазу (853—860 К) и является ФП 1-го рода с вкладами II-го рода [7]. Авторами установлено, что при сегнетоэластическом ФП возникает продольная акустическая мода, связанная с упорядочением групп SO4-.
Ранее измерение дисперсионных зависимостей показателей преломления n(X) и двупреломления An(X) при комнатной температуре показало, что в области спектра 250—800 нм дисперсия всех n(X) нормальная и при приближении к краю поглощения резко увеличивается [8, 9].
Несмотря на значительный интерес к кристаллам СК, в литературе практически отсутствуют исследования влияния одноосных напряжений на температурные изменения параметров их оптической индикатрисы. Исследование влияния механических напряжений на спектральные зависимости показателей преломления и двупре-ломления при комнатной температуре [10, 11] кристаллов СК показало их барическую чувствительность. Такие напряжения изменяют симметрию кристалла и тем самым могут влиять на исследуемые величины, а также дают возможность избирательно влиять на соответствующие группы
ВВЕДЕНИЕ
Исследование пьезооптических коэффициен-
0
тов пш кристаллов имеет самостоятельный характер, что дает возможность изучить этот один из важнейших кристаллооптических параметров и проанализировать температурно-спектральную деформацию оптической индикатрисы в поле механических усилий. Кроме этого, интересно изучить поведение пьезооптических коэффициентов в области сегнетоэластического фазового перехода (ФП).
Ранее было обнаружено, что в области сегне-
тоэлектрического ФП значения п0т для некоторых кристаллов на 1—2 порядка больше значения этих же коэффициентов в сегнетоэлектрической или параэлектрической фазах [1], а также в области перехода из парафазы (ПФ) в несоразмерную (НФ) и далее в соразмерную (СФ) фазы кристаллов ЫК804 [2] и (МН4)2ВеБ4 [3]. Для кристаллов Ь1К504 в области переходов НФ—СФ обнаружены значительные аномалии коэффициентов п^.
Установлено, что коэффициент п?3 изменяется нелинейно: в ПФе и НС — уменьшается, а в сегне-тофазе — увеличивается. При Т = 185 К обнаружено значительное скачкообразное изменение п?3.
Цель настоящей работы — исследовать спектральные и температурные зависимости пьезооп-
тических коэффициентов п0т кристаллов К2804 в области сегнетоэластического ФП.
Кристаллы сульфата калия К2804 (СК) — типичные сегнетоэластики, в которых при Т = 860 К имеет место ФП из протофазы в орторомбиче-
связей и соответствующие структурные единицы, облегчая анализ механизмов ФП.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы СК были выращены из водного раствора методом медленного охлаждения, они имели вид ромбических призм с большим количеством граней. Комбинированная разность пье-зооптических констант определялась по формуле
по = 25Дп _ 2Д
& ш
(1)
2 П
I = 108Ш - А
(2)
300
400
500
600
700 X, нм
Рис. 1. Спектральные зависимости комбинируемых пьезооптических констант кристаллов ^804 при
комнатной температуре: 1
0 с 0 , 0
П2Ь 5 - п32> 6 — п13.
000 п12, 2 - п23, 3 - ^31, 4 -
где 10 — интенсивность света, падающего на образец; Дп, ( — величина двупреломления и толщина образца в направлении просвечивания / соответственно.
При одноосном сжатии образца, осуществляемом с помощью специального приспособления, наблюдается спектральное смещение интерференционных полос, вызванное изменением дву-преломления. Зависимость величины Дп^ от давления при этом определяется выражением
Дп(к, а) = к • к/((а,).
(3)
где 8ДпI — индуцированное изменение двупреломления для направления распространения света вдоль кристаллографической оси I и приложенного на образец давления вдоль оси т. Второе слагаемое учитывает изменение размеров образца вдоль оси I; з т — коэффициенты упругой податливости.
Барические изменения двупреломления изучались по изменениям интерференционной картины поляризованных лучей, что регистрировалось с помощью спектрального комплекса КС-ВУ-23. Исследуемый образец устанавливался в термостат в диагональном положении между скрещенными николями. При прохождении через такую систему пучка белого света в фокальной плоскости спектрографа возникала интерференционная картина. Интенсивность пропускания I системы определялась согласно известному соотношению:
Измерения проводились до давлений а { ~ 200 бар.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены дисперсионные зави-
0
симости пьезооптических констант п Ш кристалла СК при комнатной температуре. Особенностью этих величин является их значительная дисперсионная зависимость (йп0Ш/(к « 7...9 х 10-11 м2/Н),
при этом характер дисперсии йп 0Ш /(к < 0 отвечает дисперсии показателей преломления (п/(к < 0.
Разные знаки и спектральные изменения п 0Ш указывают на то, что влияние одноосного механического давления вдоль кристаллофизических осей Х, Z и У приводит к разному характеру изменения индуцированного двупреломления кристалла СК. Так, при комнатной температуре и длине волны к = 500 нм величины индуцированного одноосным напряжением двупреломления составляют: 5(Дп^) = 1.12 х 10-4 и —1.80 х 10-4 для ах = 100 и ау = 100 бар соответственно; 8Дпх = = 1.56 х 10—4 и 1.89 х 10—4 для ау и а^ = 100 бар. Одноосные напряжения вдоль взаимно перпендикулярных направлений всегда ведут к разным по величине и знаку изменениям двупреломления. Кривые Дп(Т), как и Дп (к), при действии одноосных напряжений качественно не изменяются, имеет место незначительное изменение величины дисперсии дДп/дк.
На рис. 2 представлены температурные зависимости пьезооптических коэффициентов п 0Ш кристаллов СК, рассчитанных из температурных зависимостей двупреломления. Температурные зависимости двупреломления кристалла СК показали, что в сегнетоэластической фазе зависимости Дп(Т) нелинейны для всех кристаллофизических направлений. В области сегнетоэластиче-ского ФП все Дп | резко уменьшаются (5Дпх = 4.8 х х 10—3, 8Дпу = 4.1 х 10—3, ЪДп1 = 0.7 х 10—3), однако явного скачка не наблюдается. Такое поведение обусловлено тем, что ФП в кристалле СК является ФП 1-го рода с некоторым вкладом ФП 11-го рода.
ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ К2Б04
113
Т, К
Рис. 2. Температурные зависимости комбинируемых пьезооптических констант кристаллов для све-
товой длины X = 500 нм: 1 — тс°2, 2 — п2з, 3 — тс°1, 4 —
о с 0 , 0 П2Ь 5 - п32, 6 - п13.
Рис. 3. Температурная зависимость комбинируемых пьезооптических констант кристаллов К2804 около
фазового перехода: 1 -
о 0 о 0 о А о
п12, 2 - П31, 3 - п32, 4 - п13.
При ФП обнаружены значительные изменения наклона кривых п от (7), так что параметр й пт /йт в большинстве случаев изменяет свой
знак. Результаты изменения п от (7) подтверждают известные результаты поведения п(Т) и Ап(Т) при исследуемом ФП. Во всей температурной области существования сегнетоэластической фазы
о
практически все константы п ш линейно уменьшаются по абсолютной величине при понижении температуры. В области существования промежуточной фазы обнаружены незначительные, а при переходе из сегнетоэластической в ПФ — значительные аномалии коэффициентов пот (рис. 3).
Значительные аномалии пот в точке Тс кристаллов СК обусловлены изменением индуцированного двупреломления за счет возникновения спонтанной деформации.
Рассмотрим в качестве примера коэффициент
п (он отвечает изменению двупреломления при одноосном сжатии вдоль оси Х и распространении света вдоль оси Z — оси возникновения наибольших спонтанных деформаций кристалла после ФП). Значительная аномалия коэффициента
ппри ФП может быть объяснена следующим образом. В сегнетоэластической фазе в связи с зависимостью спонтанной деформации X и спонтанной поляризации Рс от температуры и их смещения вдоль оси температур под действием механического давления ат значения X и Рс в сегнетофазе изменятся на величины и (1РС.
Эти изменения вызовут дополнительные изменения двупреломления. Поэтому суммарный пье-зооптический эффект в сегнетофазе определяется "истинным" пьезооптическим и вторичным вкладами от спонтанной деформации йАпк/йХ и спонтанной поляризации йАпк/йРс:
о 2й Апк п =--—
= 2
й А пк й а „
й а т
йАпк йРс йАпк йX*
йРс й а т
й а К
(4)
}тУ ист и±е иу-*т й X
где (й?Аяк/й?ат)ист — вклад истинного пьезооптиче-ского эффекта в пьезооптические коэффициенты
п от; 2-й и 3-й члены формулы (4) описывают вторичные вклады от спонтанных поляризации и деформации в пьезоконстанты п от.
Путем линейной экстраполяции температурных зависимостей п ^(7) из ПФ в область температур ниже Тс = 860 К можно получить изменения
коэффициента п в сегнетофазе, обусловленные спонтанными деформацией и поляризацией.
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.