РОЗДІЛ 2. ДОМЕННА СТРУКТУРА СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ-НАПІВПРОВІДНИКІВ SbSI ТА Sn2P2S6
ТА ЇЇ ВПЛИВ НА ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ
2.1. Домени і доменні границі в одновісних сегнетоелектриках напівпровідниках.
Дослідження доменної структури є необхідною складовою комплексного вивчення
особливостей фероїдних кристалів, оскільки більшість їх властивостей (частково
нелінійні властивості і в цілому процеси переключення в цих матеріалах)
визначаються саме доменною структурою. Для фероїдних кристалів з вираженими
сегнетоелектричними та сегнетоеластичними властивостями у роботах [1, 2, 5, 11,
18, 32, 83, 84] окреслено основні принципи формування доменної структури, що
базуються на поняттях теорії груп та симетрії кристалу:
1) при трансформації структури прототипу втрачається один або декілька
елементів симетрії, в результаті чого утворюються домени;
2) ці елементи симетрії (оператори F) визначають орієнтацію утворених доменів;
3) група симетрії сегнетофази G1 є підгрупою точкової групи симетрії
високосиметричної фази G0;
4) число орієнтацій доменів рівне відношенню порядку точкової групи симетрії
прототипу G 0 до порядку точкової групи сегнетофази G 1;
5) орієнтація доменних границь визначається тими елементами симетрії, що
втрачаються при фазовому переході;
6) для кристалічних фазових перетворень, у яких співпадають групи симетрії
високо- та низькосиметричних фаз, однаковими будуть і оператори F. Такі
переходи будуть належати до одного “різновиду” (speices по Аізу). Різновиди
позначаються шляхом запису точкових груп прототипу та сегнетоелектрика
(сегнетоеластика), з буквою F посередині, а, саме .
Отже, на основі інформації про симетрію вихідної фази та симетрію параметра
порядку можна знайти симетрію новоутвореної полярної фази . У якості параметра
фазового переходу найчастіше виступає макроскопічна фізична величина, що легко
вимірюється на експерименті: у випадку сегнетоелектричного перетворення -
електрична поляризація Р (полярний вектор), а при сегнетоеластичному - тензор
другого рангу деформація Х . Найпростішим випадком є ситуація, коли параметрами
порядку теорії Ландау ФП 2-го роду [85] будуть поляризація і деформація
відповідно. Такі взаємопов’язані переходи будемо називаються „власними”
переходами. Але слід зауважити [86,87], що:
а) такі переходи у загальному випадку є переходами 1-го роду;
б) більшість сегнетоелектричних та сегнетоеластичних переходів є „невласними”.
Слід відмітити, що власне сегнетоеластичне перетворення, при якому спонтанна
деформація породжує спонтанну поляризацію, є також сегнетоелектричним
перетворенням, але невласним. Частіше зустрічаються випадки, коли
сегнетоелектричний та сегнетоеластичний переходи є невласними, при тому, що їх
основні характеристики (поляризація і деформація) є складовими іншої
характеристики, що є тензором вищого порядку.
Виходячи із умов симетрії, вибрані нами кристали SbSJ та Sn2P2S6 ,внаслідок
сегнетоелектричного переходу втрачають один елемент симетрії, який пов’язує між
собою два можливі орієнтаційні стани [84]. Схематично переходи представлені у
табл. 2.1.
Симетрія пояснює сам факт появи доменів та їх геометрію, але не дає жодної
інформації, стосовно їх розмірів. З точки зору симетрії необхідною є лише
рівність об’ємів доменів різного знаку, форма доменів та їх розміри не є
визначальними. Але на експерименті розміри доменів є досить визначеними і можна
спостерігати певну періодичність структури, що не є наслідком симетрійних
постулатів. Тому слід зауважити, що існують інші визначальні фактори у процесах
утворення реальної сегнетоелектричної структури [10].
Таблиця 2.1. Симетрійні характеристики можливих фазових перетворень у кристалах
SbSJ та Sn2P2S6.
Група
симетрії
парафази
Підгрупи
(групи симетрії
сегнетофази)
Можливість
неперервного
переходу
Спонтанна поляризація
Власний чи невласний сегнетоелектрик
Число
орієнт.
станів
SbSJ D2hC2v, mmmmm/2, mmmFmm/2
mmm(D2h)
mxmy2z
так
власний, Pz
Sn2P2S6 C2hCs, 2/mm, 2/mFm
2/m(C2h)
m(Cs)
так
власний, Px, Py
Цими факторами, як вказувалось в п.1.1, є енергетичні умови виникнення
доменної структури. Енергія, яку у даному випадку потрібно мінімізувати, є
сумою енергії деполяризуючого поля зв’язаних зарядів спонтанної поляризації на
поверхні сегнетоелектрика і енергії доменних границь.
Теоретичний аналіз рівноважної доменної структури у власних одновісних
сегнетоелектриках, представлений у [7], ґрунтується на процедурі мінімізації
густини вільної енергії з врахуванням просторово-неоднорідного розподілу
поляризації та умові нуль-зарядності стінки. Термодинамічний потенціал Ф
неоднорідно поляризованого сегнетоелектрика може бути записана у виді:
....... (2.1)
Тут P – поляризація, a, b, g - коефіцієнти розкладу Ландау-Гінзбурга, С –
тензор пружних констант, u – деформація, - кореляційна енергія.
При розгляді умов мінімуму (2.1) були одержані такі вирази для розподілу
поляризації у доменній границі [88]:
? при фазовому переході 2-го роду
, (2.2)
? для сегнетоелектриків, що зазнають фазовий перехід 1-го роду
, (2.3)
де - ефективна ширина доменної стінки. Оцінки цієї величини для ТГС, BaTiO3 та
інших класичних сегнетоелектриків, а також SbSI корелюють з експериментальними
даними і складають величину ~1 нм.
Водночас спостерігались нахилені до вектора поляризації доменні границі у
сегнетонапівпровідникових кристалах таких, як легований титанат барію [89],
SbSI [90] з порівняно високою провідністю та вираженою анізотропією пружних та
діелектричних властивостей. Це може бути пояснено “пом’якшенням” вимоги
нуль-зарядності стінки, внаслідок екранування поверхневог
- Киев+380960830922