научная статья по теме ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕОБЫЧНЫХ НЕФЕРРОИДНЫХ ДОМЕНОВ В КРИСТАЛЛАХ ТеО2 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕОБЫЧНЫХ НЕФЕРРОИДНЫХ ДОМЕНОВ В КРИСТАЛЛАХ ТеО2 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»