Особливості діелектричних властивостей та фазових діаграм сегнетоелектричних плівок та релаксорів - Автореферат

Яскравим прикладом неоднорідних систем є обмежені сегнетоелектричні системи, такі як плівки, порошки, композити з полярними включеннями та релаксорні сегнетоелектрики (для скорочення - релаксори), ознакою яких на сьогодні вважається існування розмитого фазового переходу та розподілу часів релаксації діелектричного відгуку, характерного для спінового скла. На відміну від усіх інших моделей, де існування полярних нанокластерів в релаксорних сегнетоелектриках постулювалось, тількі в моделі релаксорів на основі теорії випадкового поля, були виявлені фізичні механізми виникнення нанокластерів в цих матеріалах. Не зважаючи на велику кількість експериментальних даних та досить розвинену технологію виготовлення сегнетоелектричних плівок, їх широкому використанню заважає відсутність чітких уявлень про звязок властивостей плівок з їх розмірами та умовами на їх поверхнях. Для досягнення мети було необхідно розвязати наступні задачі: 1) Встановити закономірності впливу граничних умов та товщини плівки на характеристики сегнетоелектричного фазового переходу (керованого розмірами або залежного від розмірів) та на діелектричні і полярні властивості сегнетоелектричних плівок. Методи дослідження: теоретичний аналіз феноменологічних моделей сегнетоелектричних плівок аналітичними методами, включаючи прямий варіаційний метод, аналіз корреляційних ефектів в релаксорних сегнетоелектриках в межах теорії випадкового поля, математичне моделювання параметрів порядку твердих розчинів релаксорних та впорядкованих сегнетоелектриків.Форма функції розподілу обєму нанокластерів та її залежність від температури виявилась якісно близькою до запропонованих в літературі феноменологічних функцій розподілу, що дозволяє описати динамічні властивості релаксорних сегнетоелектриків. Отримані залежності температури переходу та поляризації твердого розчину (PMN)1-x(PT)x показують існування морфотропної області на фазовій діаграмі, тобто області співіснувания псевдокубічної та тетрагональної фаз. Відомо, що температура фазового переходу (рис.5) залежить від товщини плівки: , (1) де Тс - температура переходу в обємній системі, l - товщина плівки, lc - критична товщина плівки, що залежить від кореляційної довжини . Доведено, що фазовий перехід, який відбувається при зменшенні товщини плівки, повязаний із зростанням за модулем поля деполяризації в центрі плівки, безпосередньо в околі точки фазового переходу це поле досягає значення коерцетивного поля обємного зразка , а далі зменшується до нуля в силу того, що спонтанна поляризація обертається на нуль (див. вставку до рис.6). (1)), то, по-перше, фазовий перехід може відбуватись при певному значенні товщини плівки при фіксованій температурі - фазовий перехід керований розмірами системи; і, по-друге, всі фізичні величини будуть залежати від товщини плівки і мати особливості, коли товщина плівки дорівнює критичному значенню.Для релаксорних сегнетоелектриків був дослідженний вплив випадкового поля на кореляційні функції флуктуацій параметру порядку, функцію розподілу радіусу кореляції та фазові діаграми релаксорних та впорядкованих сегнетоелектриків. Виявилось, що тільки для малих значень хвильового вектора радіус кореляції прямує до нескінченності в точці фазового переходу (як і для впорядкованих сегнетоелектриків), в той час як при великих значеннях хвильового вектора радіус кореляції має максимум, що розмивається зі збільшенням напівширини розподілу випадкового поля. Основні діелектричні та полярні характеристики, такі як діелектрична проникність, спонтанна поляризація та піроелектричний коефіцієнт, були послідовно розглянуті в термінах термодинамічної феноменологічної теорії Ландау-Гінзбурга-Девоншира для монодоменної плівки з нехтовно малою провідністю та однорідними механічними напруженнями, що виникають завдяки контакту між плівкою та підкладинкою. Проведене детальне порівняння двох різних моделей систем, в яких поле деполяризації існує (с-плівки) або не існує (а-плівки) в залежності від геометрії системи. Критична товщина для с-плівок завжди більша ніж для а-плівок, зокрема для малих значень екстраполяційних довжин критичні значення товщини для цих двох систем можуть відрізнятись на порядок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В дисертації наведені результати комплексних теоретичних досліджень нанорозмірних та кореляційних ефектів сегнетоелектричних плівок та релаксорних сегнетоелектриків. Зокрема був розглянутий вплив поверхневих та розмірних ефектів на фазові діаграми та основні діелектричні й полярні характеристики, такі як діелектрична проникність, спонтанна поляризація та піроелектричний коефіцієнт, для різних моделей плівок.

Для релаксорних сегнетоелектриків був дослідженний вплив випадкового поля на кореляційні функції флуктуацій параметру порядку, функцію розподілу радіусу кореляції та фазові діаграми релаксорних та впорядкованих сегнетоелектриків. Отримані результати мають фундаментальне значення, оскільки дозволяють пояснити особливості фазових діаграм та електрофізичних властивостей вищезгаданих матеріалів, характеристики функції розподілу полярних нанокластерів в релаксорних сегнетоелектриках.

Практичне значення представлених результатів полягає в можливості предбачення властивостей різноманітних твердих розчинів на основі характеристик їх складових, а також плівок різної товщини за властивостями обємної системи.

Показано, що статична кореляційна функція флуктуацій параметру порядку релаксорних матеріалів має вигляд суперпозиції двох лоренцівських ліній з різними значеннями кореляційного радіусу на відміну від корелятора фази Бернса. Була знайдена залежність цих радіусів від температури та напівширини розподілу випадкового поля. Виявилось, що тільки для малих значень хвильового вектора радіус кореляції прямує до нескінченності в точці фазового переходу (як і для впорядкованих сегнетоелектриків), в той час як при великих значеннях хвильового вектора радіус кореляції має максимум, що розмивається зі збільшенням напівширини розподілу випадкового поля.

На основі залежності радіусу кореляції фази Бернса від електричного поля досліджена функція розподілу радіусу кореляції в релаксорних сегнетоелектриках та її залежність від температури для різних станів сегнетоелектрика, таких як впорядкований стан, мішаний стан сегнетоелектричного скла та фаза дипольного скла. Використовуючи цю функцію розподілу, можна пояснити динамічні властивості релаксорів та особливості залежності радіусу кореляції релаксорних сегнетоелектриків від температури.

Фазові діаграми та полярні властивості твердих розчинів релаксорних сегнетоелектриків, впорядкованих та релаксорних сегнетоелектриків описані в термінах статистичної теорії випадкового поля у сильно поляризовних матеріалах. Теоретично отримана фазова діаграма твердого розчину магноніобату свинцю - титанату свинцю, та пояснене існування максимуму електромеханічного відгуку, що спостерігався для магноніобату свинцю з приблизно 10% титанату свинцю. Аномальна поведінка твердого розчину двох релаксорів скандотанталат - скандоніобат свинцю (зростання температури переходу при збільшенні ступеня невпорядкованості системи для складів, збагачених ніобієм) пояснена впливом кореляційних та нелінійних ефектів з врахуванням відмінностей в нелінійній поляризовності атомів танталу та ніобію у кисневих октаедрах.

Основні діелектричні та полярні характеристики, такі як діелектрична проникність, спонтанна поляризація та піроелектричний коефіцієнт, були послідовно розглянуті в термінах термодинамічної феноменологічної теорії Ландау-Гінзбурга-Девоншира для монодоменної плівки з нехтовно малою провідністю та однорідними механічними напруженнями, що виникають завдяки контакту між плівкою та підкладинкою. Аналітично досліджена поведінка фізичних величин сегнетоелектричних плівок, в яких існує або не існує поле деполяризації. Показано, що особливості електрофізичних властивостей плівок суттєво залежать від товщини останніх, але поведінка в околі критичної точки якісно подібна до властивостей обємної системи. Однак температура фазового переходу залежить від товщини плівки (керований розмірами фазовий перехід). Зокрема, існує критичне значення товщини: плівки з меншою товщиною знаходяться в параелектричній фазі при будь-якому значенні температури (фазовий перехід не відбувається). Це явище інколи ще називають фазовим переходом, індукованим розмірами (товщиною).

Проведене детальне порівняння двох різних моделей систем, в яких поле деполяризації існує (с-плівки) або не існує (а-плівки) в залежності від геометрії системи. Виявилось, що в загальному випадку поле деполяризації суттєво впливає на розподіл фізичних величин за товщиною плівки. Зокрема, розподіли фізичних величин для с-плівок виявились більш однорідними ніж для а-плівок. Критична товщина для с-плівок завжди більша ніж для а-плівок, зокрема для малих значень екстраполяційних довжин критичні значення товщини для цих двох систем можуть відрізнятись на порядок. Продемонстровано, що врахування поля деполяризації для плівки, в якій поляризація перпендикулярна до поверхні, не приводить до суттєвих змін, якщо екстраполяційні довжини набагато більші ніж кореляційна довжина.

Теоретично показано, що короткозамкнуті монодоменні сегнетоелектричні с-плівки з нехтовно малою провідністю та однорідними механічними напруженнями можна описувати вільною енергією обємного матеріалу з перенормованими коефіцієнтами, залежними від температури, товщини плівки та екстраполяційних довжин. Продемонстровано, що для сегнетоелектриків типу зміщення це перенормування зводиться до заміни температури переходу обємної системи на таку, що залежить від товщини плівки та дорівнює абсолютному нулю для критичного значення товщини (керований розмірами фазовий перехід).

Знайдена залежність динамічної діелектричної сприйнятливісті сегнетоелектричних плівок від товщини та температури на основі термодинамічної феноменологічної теорії Ландау-Гінзбурга-Девоншира в термінах описаної вище моделі для а-плівок. Показано, що низькочастотна сприйнятливість описується сприйнятливостю демпфованого осцилятора, час загасання та характерна частота якого разом зі статичною сприйнятливістю суттєво залежать від товщини плівки. Вище згадана частота була співставлена з частотою мякої моди коливань системи, оскільки було знайдено, що характерна частота перетворюється на нуль в точці фазового переходу, керованого розмірами системи. Високочастотна сприйнятливість плівки наближається до такої ж величини для обємної системи, незалежно від товщини плівки, однак виявляє особливості поблизу характерних частот коливань системи, які були відсутні в обємній системі. плівка сегнетоелектричний ефект нанорозмірний

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Deineka A., Jastrabik L. Optical refraction index and electric polarization profile of ferroelectric thin film // Fine mechanics and optics. - 2000.- Vol. 45, №11-12. - P. 338-342.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Hilcher B. Mixed systems of ferroelectric relaxors // Ferroelectrics. - 2001.- Vol. 254. - P. 13-26.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. Phase diagram of mixed ferroelectrics // Ferroelectrics. - 2001.- Vol. 254. - P. 27-39.

Глинчук М.Д., Елисеев Е.А., Стефанович В.А. Расчет фазовых диаграмм твердых растворов сегнетоэлектриков // Физика твердого тела.- 2001.- T. 43, № 5.- C. 882-887.

Глинчук М.Д., Елисеев Е.А., Стефанович В.А., Хильчер Б. Описание сегнетоэлектрических фазовых переходов в твердых растворах релаксоров в рамках теории случайных полей // Физика твердого тела.- 2001.- T. 43, № 7.-C 1247-1254.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Karkut M.G., Farhi R., Jastrabik L. Origin of giant dielectric response in ferroelectric thin film multilayers // Integrated ferroelectrics.- 2001.- Vol. 38.- P. 181-188.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Karkut M.G., Farhi R., Jastrabik L. Size effects of static and dynamic polarization in ferroelectric thin film multilayers // Integrated ferroelectrics.- 2001.- Vol. 38.- P. 143-151.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Deineka A., Jastrabik L., Suchaneck G., Sander T., Gerlach G., Hrabovsky M. Optical refraction index and polarization profile of ferroelectric thin film multilayers // Integrated ferroelectrics.- 2001.- Vol. 38.- P. 101-110.

Глинчук М.Д., Елисеев Е.А., Стефанович В.А. Динамическая диэлектрическая восприимчивость сегнетоэлектрических тонких пленок и их многослойных структур // Физика твердого тела.- 2002.- T. 44, № 5.- C. 912-922.

Glinchuk M.D., Stephanovich V.A., Eliseev E.A., Kirichenko E.V., Jastrabik L. Correlation radius of polarization fluctuations in the disordered ferroelectrics // Applied Physics Letters.- 2002.- Vol. 80, № 4.- P. 646-648.

Glinchuk M.D., Stephanovich V.A., Eliseev E.A., Kirichenko E.V. Temperature dependence of correlation radius in relaxor ferroelectrics // Ferroelectrics.- 2002.- Vol. 270.- P. 227-234.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. The depolarization field effect on the thin ferroelectric films properties // Physica B.- 2002.- Vol. 332.- P.356-370.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. The influence of depolarization field on the dielectric and pyroelectric properties of ferroelectric films // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2002.- Vol. 5, №2.- P.142-151.

Glinchuk . M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Hilcher B. Mixed systems of ferroelectric relaxors // Proc. NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of Ferroelectricity and Open Ukrainian-French Meeting on Ferroelectricity.- Kiev (Ukraine).- 2000.-P.10.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. Phase diagram of mixed ferroelectrics // Proc. NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of Ferroelectricity and Open Ukrainian-French Meeting on Ferroelectricity.- Kiev (Ukraine).- 2000.-P.48.

Glinchuk M.D., Stephanovich V.A., Eliseev E.A., Hilcher B. Phase diagram of mixed relaxor ferroelectrics// Proc. The Third International Seminar on Relaxor Ferroelectrics. - Dubna (Russia).- 2000.- P.108.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Karkut M.G., Farhi R., Jastrabik L. Origin of giant dielectric response in ferroelectric thin film multilayers (I, II) // Proc. The Thirteenth International Symposium of Integrated Ferroelectrics. Colorado Springs.- Colorado (USA).- 2001. - P.28, 119.

Glinchuk M.D., Stephanovich V.A., Eliseev E.A. Correlation radius of polarization fluctuations in ferroelectric relaxors // Proc. The Tenth International Meeting on Ferroelectricity. - Madrid (Spain).- 2001. -P.122.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A., Karkut M.G., Farhi R. Size effects in static and dynamic dielectric susceptibility of ferroelectric thin films and multilayers // Proc. The Tenth International Meeting on Ferroelectricity. - Madrid (Spain).- 2001. -P.143.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. Pyroelectric coefficient in ferroelectric thin films and multilayers// Proc. The Tenth International Meeting on Ferroelectricity. - Madrid (Spain).- 2001.-P.160.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. Size effects in dielectric and pyroelectric properties of ferroelectric thin films // Proc. The seventh Russia-CIS-Baltic-Japan Symposium on Ferroelectricity.- St-Petersburg (Russia). - 2002. - P.47.

Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Stephanovich V.A. Correlation effects in relaxor ferroelectrics // Proc. The Third International Conference "Advanced Optical Materials and Devices". - Riga (Latvia).- 2002. - P.118.

Stephanovich V.A., Eliseev E.A., Glinchuk M.D., Farhi R. Novel Approach to Description of Ferroelectric Thin Film Properties on The Base of Bulk Material Free Energy with Renormalized Coefficients // Proc. Ferroelectric Thin Films. Second Open French-Ukrainian Workshop on Ferroelectricity. - Dinard (France) - 2002.-P.17.

Glinchuk M.D., Stephanovich V.A., Eliseev E.A. Correlation radius and Its Value Distribution in The Relaxor Ferroelectrics // Proc. Ferroelectric Thin Films. Second Open French-Ukrainian Workshop on Ferroelectricity. - Dinard (France) - 2002.-P.6.