КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 950-954
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 548.73 Посвящается Международному году кристаллографии
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕОБЫЧНЫХ НЕФЕРРОИДНЫХ ДОМЕНОВ В КРИСТАЛЛАХ ТеО2 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
© 2014 г. М. В. Ковальчук, А. Е. Благов, А. Г. Куликов, Н. В. Марченков, Ю. В. Писаревский
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: marchenkov@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 15.05.2014 г.
В кристаллах парателлурита (ТеО2) обнаружено возникновение необычных медленно релаксирую-щих доменов при приложении внешнего постоянного электрического поля. Домены отличаются от возникающих в ферроиках (ферромагнетиках, ферроэлектриках, ферроэластиках и т.п.). Обнаруженный эффект характеризуется наличием пороговой напряженности поля, при которой начинают образовываться домены, и большими временами установления равновесного состояния (вплоть до нескольких часов в зависимости от напряженности электрического поля). Кристалл возвращается к исходному монодоменнному состоянию также в течение нескольких часов после выключения поля. Методом высокоразрешающей трехкристальной рентгеновской дифрактометрии определено, что домены, сохраняя параэластическую тетрагональную фазу, поворачиваются друг относительно друга в пространстве, при этом значение параметра решетки в доменах остается одинаковым. Размеры доменов составляют 2—4 мм в зависимости от напряженности поля. В настоящее время точные механизмы образования обнаруженных доменов неясны. Обсуждается возможная причина образования подобных дефектов и аналогия наблюдаемых эффектов с поведением жидких кристаллов под воздействием электрического поля.
DOI: 10.7868/S0023476114060149
ВВЕДЕНИЕ
Образование доменов в кристаллах под влиянием внешних воздействий — хорошо известное явление. Обычно известные типы доменов образуются в ферроидных фазах кристаллов, и в этих случаях возможно несколько состояний доменов, отличающихся друг от друга направлением спонтанной намагниченности в ферромагнетиках, направлением спонтанной поляризации в ферроэлектриках и т.п.
В данной работе с помощью рентгенодифрак-ционных методов открыто и исследовано необычное образование неферроидных доменов в монокристаллах Те02 под воздействием постоянного электрического поля (ЭП). К настоящему времени известным результатом воздействия ЭП на картину рентгеновской дифракции в кристаллах является смещение максимума кривой дифракционного отражения (КДО) вследствие пьезоэлектрического эффекта [1].
Кристалл парателлурита ТеО2 является популярным акустооптическим материалом и широко применяется в качестве рабочих элементов устройств акустооптики [2]. Более того, он признан весьма перспективным нелинейным оптическим материалом для бриллуэновских лазеров [3]. Многолетний и неослабевающий интерес исследователей привлекают также оптические [4], фо-
тоупругие, пьезоэлектрические и особенно упругие [5] свойства. Переход в ферроэлластическую фазу в данном кристалле обнаружен при давлении Р = 8.86 кБар [6, 7]. Во многом эти интересные особенности обусловливаются существенными оптическими и акустическими нелинейностя-ми.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Рентгенодифракционные исследования проводились на дифрактометре ВшагИаЪ (Ш§аки), принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 1.
При исследовании процесса образования доменов в кристалле Те02 использовалась двухкри-стальная схема дифракции. Источник излучения представляет собой рентгеновскую трубку с вращающимся молибденовым анодом (Мо^а1-излу-чение, длина волны X = 0.71 А). Для коллимации и монохроматизации пучка были использованы двухкристальный монохроматор 2х0е(220) и входная щель 50 мкм.
Для характеризации отдельных доменов использовалась трехкристальная геометрия дифракции [8], для чего в экспериментальную схему был дополнительно установлен кристалл-анали-
у ^
- ' Детектор \
Анализатор
Рентгеновская трубка
N
Входная щель 1 1 мм
Образец
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
затор (также двухкристальный, 2х0е(220)). Кроме того, для увеличения углового разрешения трубка с Мо-анодом была заменена на трубку с медным анодом (Си^а1-излучение, длина волны X = 1.54 А).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
При включении ЭП, напряженность которого превышает пороговое значение 125 В/мм, обнаружено расщепление двухкристальной КДО ре-
флекса (220) парателлурита, величина которого увеличивалась пропорционально величине напряженности поля (рис. 2, 3). При этом значение интегральной интенсивности отраженного образцом рентгеновского излучения оставалось постоянным.
Временные характеристики процессов, происходящих в кристалле парателлурита при наложении и снятии внешнего ЭП, показаны на рис. 4. Характерные времена процесса образования до-
менов после включения ЭП тн
3900 с и воз-
16
12
8
4
X 0
н о
0 35
30
25
20
15
10
5
0
Е = 600 В/мм
-60 -40 -20 0 20 9, угл. с.
40 60
50 40 30 20 10 0 20 16 12 8 4 0
Е = 1200 В/мм
-60 -40 -20 0 20 9, угл. с.
40 60
Рис. 2. Расщепление КДО рефлекса (220) кристалла Те02 в зависимости от величины напряженности внешнего постоянного ЭП: Е = 0 (а), Е = 300 (б), Е = 600 (в), Е = 1200 В/мм (г).
Р^НМ(220), угл. О.
К
120 100 80 60 40 20 0
2000
1000
1000
Е, В/мм
Рис. 3. Зависимость полуширины рефлекса (220) кристалла Те02 от величины напряженности приложенного внешнего ЭП (точками обозначены экспериментальные данные, пунктирной линией — линейная аппроксимация).
вращения к монодоменному состоянию после его выключения трелакс = 2400 с (при Е = 750 В/мм). Следует учесть, что одно измерение КДО занимало 2—3 мин, что значительно меньше указанных выше времен установления равновесного состояния в кристаллах Те02. Кроме того, все величины полуширин рефлексов на рис. 3 являются усредненными по времени. Действительные значения полуширин имели небольшие флуктуации вблизи усредненного значения.
Для уточнения пространственных параметров доменов была проведена серия измерений кри-
Б^М(220), угл. с. 17-
164 1514131211 —| 10-
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
t, мин
Поле включено (750 В/мм) Поле выключено
Рис. 4. Зависимость полуширины рефлекса (220) кристалла Те02 от времени, прошедшего с момента включения и выключения внешнего поля (Е = 750 В/мм) (точками обозначены экспериментальные данные, пунктирной линией — аппроксимация).
вых 9-29 в трехкристальной схеме дифракции при различных углах ю, что соответствует сканированию рентгеновского рефлекса в двух взаимнопер-пендикулярных направлениях обратного пространства. При этом увеличение полуширины рефлекса при включенном ЭП относительно собственной полуширины (без ЭП) по оси ю соответствует угловой разориентации атомных плоскостей в пределах засвечиваемого рентгеновским пучком объема кристалла, а увеличение полуширины КДО по 9 — варьированию величины параметра решетки в этом же объеме. Полученные результаты (рис. 5)
р
ф <
0.03 0.02 0.01 0
-0.01-0.02-0.030.03 0.02 0.01 0
-0.01 -0.02 -0.03
0.03 0.02 0.01 0
-0.01 -0.02 -0.03
(а)
(б)
(в)
2.0 х 105 5.8 х 105 9.7 х 105
-1.4 х 106 1.7 х 106
2.1 х 106 7 х 104 2.6 х 105
4.4 х 105 -6.3 х 105
8.1 х 105
9.5 х 105 6 х 104 2.3 х 105
-3.9 х 105
5.6 х 105
7.2 х 105 8.6 х 105
-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 ю, град
Рис. 5. Результаты 2Б-картирования рефекса (220) кристалла Те02 в отсутствие ЭП (а) и при наложении поля 2125 (б) и 3750 В/мм (в).
0
Рентгеновский пучок после монохроматора
26.84
[110]
(б)
(a) [100]
Дифрагированный образцом пучок
26.86 26.88 о, град
26.90
9.5 х 104 8.3 х 104
7.1 х 104 -5.9 х 104
4.8 х 104 -3.6 х 104 -2.4 х 104
1.2 х 104 0
60 40 20 0
60 40 20 д. 0
<D
к 60 S 40 3 20 3 0
60 40 20 0
60 40 20 0
y = 4.8 мм
y = 2.0 мм
y = 0.8 мм
y = —0.5 мм
_ 5
1 1 Л 1
\ y = —2.7 мм
26.84 26.88 26.92
0, угл. с
Рис. 6. Взаимная разориентация и линейные размеры доменов в кристалле ТеО2 под действием ЭП (Е = 3750 В/мм): а - схема сканирования, б - двумерная картина дифракции в координатах "угол падения излучения (0) - положение рентгеновского пучка на поверхности образца (у)", иллюстрирующая пространственную локализацию и изменение формы КДО при смещении пучка по поверхности исследуемого кристалла (цвет отражает интенсивность излучения, дифрагированного образцом), в - примеры трехкристальных КДО, измеренных при засветке рентгеновским пучком как областей образца, содержащих отдельные домены (1,3, 5), так и областей, включающих междоменную границу (2, 4).
2
3
4
свидетельствуют о том, что при наложении внешнего ЭП в кристалле парателлурита образуются области, имеющие взаимную угловую разориен-тацию, но одинаковый параметр решетки.
Для оценки характерных размеров доменов входные щели зажимались таким образом, что размер пучка в плоскости дифракции составлял 30 мкм, а в латеральном направлении 0.5 мм. В трехкристальной геометрии была проведена серия ю-сканирований при фиксированной сдвижке (0.25 мм) области засветки рентгеновским пучком вдоль одного из направлений поверхности образца (рис. 6а). В процессе измерений получены КДО как от отдельных доменов (рис. 6в, кри-
вые 1, 3, 5), так и от доменных границ (рис. 6в, кривые 2, 4). Полученные в результате исследований данные показали, что характерный размер доменов, образующихся в результате наложения на кристалл Те02 внешнего ЭП напряженностью 3750 В/мм, составляет 2-4 мм (рис. 6б).
Образец также исследовался методом рама-новской спектроскопии для выявления факта образования других фаз после включения внешнего ЭП. Полученные спектры подтверждают рентген-дифракционные данные, заключающиеся в том, что при наложении на исследуемый кристалл внешнего ЭП образование доменов не сопровож-
дается образованием каких-либо других фаз, кроме исходной, тетрагональной а-фазы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обнаружен новый тип неферроидных доменов в кристаллах парателлурита, представляющих собой в конкретных условиях эксперимента образования размером порядка несколько миллиметров и имеющих небольшую взаимную угловую разо-риентацию. Домены формируются в течение нескольких часов при приложении вне
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.