Існування у низькосиметричних сегнетоелектриках-напівпровідниках заряджених, нахилених до вектора поляризації, доменних границь. Аналіз кристалічної структури, аномалії діелектричних властивостей, суперіонної провідності, швидкості поширення ультразвуку.
Аннотация к работе
Особливе місце серед нових матеріалів електронної техніки займають феромагнетики, сегнетоелектрики і сегнетоеластики, які мають набір унікальних властивостей, а аномально високі значення ряду фізичних параметрів забезпечують їм широкі можливості практичного використання в якості активних елементів електронних та оптоелектронних схем. Для подальшого зясування можливостей практичного використання фероїдних матеріалів, а також розвязання ряду принципових питань фізики твердого тіла, необхідна інформація про фізичні властивості реальних кристалів з притаманними їм недосконалостями, які значною мірою визначають параметри матеріалу. Оскільки процеси переключення доменної структури лежать в основі більшості нині відомих елементів сегнетоелектричної памяті та сегнетоеластичних оптичних перемикачів, значний інтерес представляє інформація про характер формування, особливості топології та можливість керування реальною доменною структурою кристалів. Дана дисертаційна робота виконувалась відповідно до планів наукових досліджень кафедри фізики напівпровідників та Науково-дослідного інституту фізики і хімії твердого тіла Ужгородського національного університету в рамках держбюджетних тем фундаментальних досліджень: “Нові складні напівпровідникові матеріали для оптичних пристроїв видимого та ІЧ діапазонів спектру” (№0198U003094, 1997-1999рр.); “Фоторефрактивні та нелінійно-оптичні халькогенідні матеріали для видимого та ІЧ діапазонів спектру” (№0100U005330, 2000-2002рр.); “Фотоіндуковані та релаксаційні процеси в нелінійних сегнетонапівпровідникових кристалах” (№0103U001685, 2003-2005рр.). Метою роботи було вивчити особливості кристалічної структури та її трансформації при сегнетоеластичних фазових переходах, а також дослідити вплив специфіки халькогенідних кристалів (сильної анізотропії діелектричних та пружних характеристик, напівпровідникових та суперіонних властивостей) на формування в них доменної структури.Симетрія пояснює сам факт появи доменів та їх геометрію, але не дає жодної інформації стосовно їх розмірів. Сканування рельєфу природних граней кристалу Sn2P2S6 методом атомної силової мікроскопії показали, що основним мотивом рельєфу поверхні грані (110) кристалу Sn2P2S6 є ромбовидні фігури, подібні до спостережуваних фігур травлення. Розміри доменів у кристалах Sn2P2S6 становлять величину (1ч2)Ч(3ч5) мкм, а середня “різниця висот” доменів з різною поляризацією на грані (110) кристалу складає ~ 1нм. У центрі кристалу домени, як правило, мілкі і мають сильно розвинуту поверхню. Двійникові полідоменні конфігурації SBSI складаються з доменів, що мають в площині (001) еліптичний або лінзовидний переріз і границі, паралельні полярній осі с.Методами травлення та атомної силової мікроскопії одержано картини доменної структури кристалів Sn2P2S6, які виявили наявність як границь доменів, перпендикулярних до сегнетоелектричного зрізу кристала, так і “рівноважних” заряджених доменних стінок, нахилених до напрямку спонтанної поляризації. Встановлено, що полідоменні конфігурації кристалів SBSJ переважно складаються з доменів, що мають в площині (001) еліптичний або лінзовидний переріз, і границі, паралельні полярній осі. На основі аналізу термодинамічного потенціалу та експериментальних досліджень діелектричних параметрів кристала SBSJ встановлено, що доменні границі приводять до зміщення температури сегнетоелектричного фазового переходу і впливають на його кінетику. Виявлено, що основними ростовими дефектами кристалів Sn2P2S6 є площини росту, терасоподібні і шаруваті утворення та двійникування. Результати експериментального дослідження доменної структури кристалів підтвердили існування різних типів доменів та доменних стінок.
Вывод
1. На основі розгляду електростатичного та пружного вкладів в енергію доменних границь обґрунтовано існування “заборонених” доменних стінок в одновісних низькосиметричних сегнетоелектриках-напівпровідниках з сильною анізотропією пружних та діелектричних властивостей за рахунок високого ступеня екранування деполяризуючого поля носіями заряду. Методами травлення та атомної силової мікроскопії одержано картини доменної структури кристалів Sn2P2S6, які виявили наявність як границь доменів, перпендикулярних до сегнетоелектричного зрізу кристала, так і “рівноважних” заряджених доменних стінок, нахилених до напрямку спонтанної поляризації.
2. Встановлено, що полідоменні конфігурації кристалів SBSJ переважно складаються з доменів, що мають в площині (001) еліптичний або лінзовидний переріз, і границі, паралельні полярній осі. Крім того, у SBSJ виявлені клиновидні домени, границі яких розташовані під кутом до сегнетоелектричної осі, і, тому, проявляються на гранях {hko}. Вони утворюються, як правило, у місцях скупчення дислокацій і часто прилягають до двійникових границь і шарів росту. На основі аналізу термодинамічного потенціалу та експериментальних досліджень діелектричних параметрів кристала SBSJ встановлено, що доменні границі приводять до зміщення температури сегнетоелектричного фазового переходу і впливають на його кінетику.
3. Виявлено, що основними ростовими дефектами кристалів Sn2P2S6 є площини росту, терасоподібні і шаруваті утворення та двійникування.
4. Досліджена доменна структура номінально чистих та змішаних кристалів системи Cu6PS5Br(I,Cl). На основі симетрійного аналізу встановлено можливість виникнення 12 орієнтаційних станів та 45 типів доменних границь у кристалах типу Cu6PS5Br (при сегнетоеластичному фазовому перетворенні із зміною симетрії -43m > m). Результати експериментального дослідження доменної структури кристалів підтвердили існування різних типів доменів та доменних стінок.
5. Рентгеноструктурні дослідження кристалів Cu6PS5Br1-XIX для складів з високим вмістом йоду виявили існування, нижче температури 273K, проміжкової надгратки, що була передбачена теоретико-груповим аналізом і підтверджена аномаліями на температурних залежностях ряду фізичних параметрів. Для досліджуваних кристалів визначені координати позицій атомів, міжатомні відстані, локальні симетрії та фактори заповнення позицій. Запропоновано моделі термоактивованої міграції іонів Cu в структурі кристалів типу Cu6PS5І та визначені її механізми, що обумовлюють високу іонну провідність.
6. У кристалах типу Cu6PS5Br(I,Cl) проведено дослідження суперіонної провідності, лінійного розширення, швидкості поширення ультразвуку та калориметричних характеристик. На основі виявлених аномалій на температурних залежностях вказаних фізичних параметрів, аналізу трансформації доменної та кристалічної структури, запропонована фазова діаграма системи твердих розчинів Cu6PS5Br1-XIX.
Список литературы
1. Горват А.А., Кайнц Д.І., Наконечний Ю.С. Особливості кінетики фазового переходу І роду в моно- і полідоменних сегнетоелектричних кристалах. // Науковий вісник Ужг. Ун-ту, Сер.фіз. - 1998. - N.2. - С.5-9.
2. Кайнц Д., Горват А. Вплив доменної структури SBSI на його фізичні властивості. // Науковий вісник Ужг. Ун-ту, Сер.фіз. - 1999-. N.4. - С.7-11. -
3. Горват А.А., Кайнц Д.І., Наконечний Ю.С. Діелектричні властивості SBSI у електричних, механічних та температурних полях. // Науковий вісник Ужг. Ун-ту, Сер.фіз. 1999.- N.5. - С.44-49.
4. Kaynts D.I., Buletza E.P., Studenyak I.P., Nebola I.I., Stejfan A.J. Lattice dynamics of superionic ferroelastic Cu6PS5Br crystals // VI Ukrainian-Polish and II East European Meeting on Ferroelectrics Physics. - Uzhgorod-Synjak, Ukraine. - 2002. - P.107.
5. Kaynts D.I., Horvat A.A., Grabar A.A., Gurzan M.I. Charged domain walls in the Sn2P2S6 - type ferroelectrics. // VI Ukrainian-Polish and II East European Meetingon Ferroelectrics Physics. - Uzhgorod-Synjak, Ukraine. - 2002. - P.51.
6. Kaynts D.I., Studenyak I.P., Nebola I.I., Horvat A.A. Optical observation of ferroelastic Domains in Cu6PS5X (X=I,Br,Cl) crystals. // Ukr. J. Phys.Opt. - 2002. - V.3, N.4. - P.267-270.
7. D.Kaynts, A.Grabar, M.Gurzan, A.Horvat. Planar defects in Sn2P2S6 ferroelectrics-semiconductors. // 10th International Conference on Defects - Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP X)-2003, Balz-sur-Mer, France, P.81-84.
8. Girnyk I., Kaynts D., Krupych O., Martunyuk-Lototska I., Vlokh R. Optical, dilatation and ultrasonic velocity studies. X,T-phase diagram of the Cu6PS5 IXBR1-x mixed crystals. // Ukr. J. Phys.Opt. - 2003. - V.4, N.3. - P.147-153.
9. Kaynts D.I., Nebola I.I., Girnyk I.S., Krupych O.M. Phase transitions in the system of ferroelastic superionic Cu6PS5Br1-XIX solid solutions.т// NATO Advanced Research Workshop on the Disordered Ferroelectrics. - Kiev, Ukraine. - 2003. - P.75.
10. Кайнц Д.І., Грабар О.О., Горват А.А. Доменна структура кристалів сегнетоелектриків-напівпровідників. // Науковий вісник Львів. Ун-ту. Сер. Фіз. - 2003. - B.36. - С.134-140.
11. I.Girnyk, D.Kaynts, O.Krupych, I.Martunyuk-Lototska and R.Vlokh. X,T -diagram of the Cu6PS5Br1-XIX mixed crystals. Domain structure, dilatation and ultrasonic velosity studies. // EMF10, Cambridge, UK. 2003, P.124.
12. Kaynts D.I., Studenyak I.P., Nebola I.I., Horvat A.A. Ferroelastic domains in Cu6PS5X (X= I, Br, Cl) Crystals. // Ferroelectrics.- 2003.- V.290.- P. 23-27.
13. Kaynts D.I., Gurzan M.I, Horvat A.A., Grabar A. A. AFM and etching study of real domain structure in Sn2P2S6 ferroelectrics.// ISIF2004. - Gyeingue, South Korea. - 2004. - P.9-10.
15. D. Kaynts, V. Panko, I.Martunyuk-Lototska, O.Krupych, I.Girnyk, R. Vlokh. Co-existance of the ferroelectric and superionic properties in the Cu6PS5Br(I) crystals. // MAGEL-2004, La-Rochelle, France, P.19.
16. Kaynts D., Horvat A., Grabar A., Stoika I.M., Gurzan M.I. Domain configuration in Sn2P2S6 ferroelectrics - semiconductors. // Solid State Materials and Devices. - 2004. - P. 838-839.
17. Gagor A., Pietraszko A. , Kaynts D. Diffusion paths formation for Cu ions in superionic Cu6PS5I single crystals studied in terms of structural phase transition. // Journal of Chemistry of Solid State. - 2005. -V.178, p.3366-3375.
18. Kaynts D., Panko V., Martunyuk-Lototska I., Krupych O., Girnyk I., Vlokh R. Domain structure and mechanical properties of the superionic Cu6PS5Br(I) ferroics. // ISIF2005.- Shangai, China. - 2005. - P.73-74.
19. Kaynts D., Panko V., Nebola I.I. System of Cu6PS5Br(I) Mixed Crystals: Phase Transitions, Crystal and Domain Structure. // XI International Meeting of Ferroelectricity IMF-11. - м.Ігуасу, Бразилія. - 2005.
20. Gagor A. , Pietraszko A., Drozd M., Polomska M., Kaynts D. Structural phase transitions and their influence on Cu mobility in superionic ferroelastic Cu6PS5I single crystals. // XX Congress of the International Union of Crystallography, - Флоренція, Італія, 2005р.