Спосіб визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках

Спосіб визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках, який включає експериментальні дослідження оптичних властивостей фероїків, який відрізняється тим, що проводять температурні дослідження краю оптичного поглинання в фероїках і представляють енер гетичну ширину w краю оптичного поглинання у вигляді w = w T + (w X )stat + (w X )dyn , Винахід відноситься до області фізики твердого тіла, зокрема до способів дослідження фазових переходів в фероїках, і може бути використаний як ефективний та надійний спосіб визначення області існування неспівмірної фази шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання в фероїках. Відомо, що для багатьох твердих тіл поглинання поблизу краю оптичного поглинання зростає за експоненціальним законом. Більше того, для ряду твердих тіл було встановлено, що температурно-спектральна залежність коефіцієнта поглинання a описується правилом Урбаха [1]: де w - енергетична ширина краю оптичного поглинання; a0 та Е0 - координати точки збіжності урбахівського "віяла"; hv - енергія кванта падаючого світла; Т - температура. Температурна поведінка енергетичної ширини w в моделі Ейнштейна описується за допомогою співвідношення [2]: é hv - E0 ù a(hv, T ) = a0 × exp ê ú , (1) ë w (T ) û після чого визначають внески температурного w T , статичного структурного розупорядкування (w X )stat та динамічного структурного розупорядку вання (w X )dyn при певній температурі T за отри маними при описі температурної залежності w é ù 1 за формулою w = w 0 + w1ê ú exp (qE / T ) - 1û ë параметрами w 0 i w1 та температурою Ейнштей= é ù , (2) 1 w = w 0 + w1ê ú exp (q E / T ) - 1 û ë де w0 та w1 - деякі постійні величини, qЕ - температура Ейнштейна, яка відповідає усередненій частоті фононних збуджень системи невзаємодіючих осциляторів. Енергетична ширина урбахівського краю оптичного поглинання в твердих тілах, як відомо, визначається не тільки температурним, але й структурним розупорядкуванням [3]: (13) паралельне довгохвильове зміщення краю оптичного поглинання та температурна незмінність енергетичної ширини краю оптичного поглинання, визначають область існування неспівмірної фази в фероїках. 89385 а далі за температурною областю, для якої справджується умова (w X )dyn ¹ 0 , a також має місце C2 , (11) = w 0 , (w X )dyn (w X )stat = w - w T - (w X )stat UA w T = w1 / [exp (qE / T ) - 1], (19) на qE як 3 w (T, X ) = K æ u2 ç è T 89385 + u2 де K - константа, u2 ö , (3) ÷ Xø T та u2 X - середньо квадратичні відхилення (зміщення) атомів від їх рівноважних позицій, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням твердотільної системи. Оскільки зміщення атомів від рівноважних позицій веде до зміни електричного потенціалу системи, то формулу (3) записують як ( ) 2 2 w = k 0 WT + WX = w T + w X , (4) 2 2 де k0 - константа, WT та WX - середньоквадратичні відхилення від електричного потенціалу ідеально впорядкованої структури, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням, а внески температурного wT та структурного wX розупорядкування в w вважаються незалежними, еквівалентними та адитивними. Структурне розупорядкування у твердих тілах можна представити у вигляді суми двох складових статичного структурного розупорядкування (wX)stat та динамічного структурного розупорядкування (wX)dyn, причому внесок температурно-незалежного статичного структурного розупорядкування (wX)stat викликаний наявністю різного роду дефектів, домішок та неоднорідностей кристалічної структури, тоді як внесок температурно-залежного динамічного структурного розупорядкування (wX)dyn викликаний наявністю, наприклад, міграційного руху іонів в твердих електролітах або модуляцією структури в фероїках. Однак, в деяких твердих тілах спостерігається відхилення від урбахівської поведінки краю поглинання. Так, наприклад, при дослідженні краю оптичного поглинання сегнетоелектрика Sn2P2Se6 виявлено три характерні температурні області: область урбахівської поведінки краю поглинання при T220K [4]. Паралельне зміщення краю оптичного поглинання в Sn2P2Se6 пов'язується з наявністю модуляції структури в неспівмірній фазі у вказаній температурній області. Найбільш близьким до запропонованого способу визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках є рентгенодифракційний метод, який полягає у вимірюванні дифрактограм рентгенівського випромінювання при різних температурах та послідуючому аналізі положень, півширин та інтенсивностей основних і сателітних рефлексів [5]. Недоліком методу є його трудомісткість та складність, пов'язані з проведенням низькотемпературних рентгеноструктурних досліджень та необхідністю забезпечення високоточних прецизійних вимірювань. Завданням винаходу є створення способу визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках, який дозволяв би надійно та ефективно ідентифікувати наявність неспівмір 4 ної фази в фероїках шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання. Поставлене завдання досягається таким чином, що запропоновано спосіб визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання, який включає експериментальні дослідження оптичних властивостей фероїків, який відрізняється тим, що, проводять температурні дослідження краю оптичного поглинання в фероїках і представляють енергетичну ширину w краю оптичного поглинання у вигляді w = w T + (w X )stat + (w X )dyn , (5) після чого визначають внески температурного wT, статичного структурного розупорядкування (wX)stat та динамічного структурного розупорядкування (wX)dyn при певній температурі Т за отриманими при описі температурної залежності w за формулою (2) параметрами w0, w1 та температурою Ейнштейна qЕ w T = w 1 / [exp (qE / T ) - 1], (w X )stat = , (6) = w 0 , (w X )dyn = w - w T - (w X )stat де w0, w1 – деякі постійні величини, а далі за температурною областю, для якої справджується умова (w X )dyn ¹ 0 , a також має місце паралельне довгохвильове зміщення краю оптичного поглинання та температурна незмінність енергетичної ширини краю оптичного поглинання, визначають область існування неспівмірної фази в фероїках. Запропонований спосіб визначення температурної області існування неспівмірної фази в фероїках, у порівнянні зі способом-прототипом, є менш трудомістким та більш інформативним, який на основі температурних досліджень краю оптичного поглинання дозволяє надійно та ефективно ідентифікувати існування неспівмірної фази в фероїках. Спосіб здійснюється наступним чином: спектрометричним методом досліджують спектральні залежності коефіцієнтів поглинання в фероїках при різних температурах. Потім розраховують енергетичну ширину краю оптичного поглинання w, а її температурну залежність апроксимують співвідношенням (2). За отриманими при описі експериментальної залежності w(T) параметрами w0, w1 та qЕ за допомогою співвідношень (2) і (6) визначають внески температурного wT, статичного (wX)stat та динамічного (wX)dyn структурного розупорядкування. Температурна область, для якої справджується умова (w X )dyn ¹ 0 , має місце паралельне довгохвильове зміщення краю оптичного поглинання та температурна незмінність енергетичної ширини краю поглинання, являється областю існування неспівмірної фази в фероїках. Приклад конкретного використання запропонованого способу. За допомогою запропонованого способу ідентифіковано область існування неспівмірної фази в сегнетоелектрику Sn2P2Se6. Відомо, що в цьому кристалі реалізуються два низькотемпературні фазові переходи, один з яких є фазовим переходом із параелектричної фази в неспівмірну при 5 Т=Тi, другий - фазовим переходом із неспівмірної в сегнетоелектричну при Т=Т c [4]. Спектральні залежності коефіцієнтів пропускання Т та відбивної здатності r досліджувалися за допомогою ґраткового монохроматора МДР-3, а значення коефіцієнтів поглинання a розраховувалися за формулою é ù 2 4 1 ê (1 - r ) + (1 - r ) + 4T 2r 2 ú , (7) 1n ú 2T d ê ê ú ë û де d - товщина зразка. Характерне урбахівське "віяло" для кристала Sn2P2Se6 наведено на фіг. 1. Потім розраховувалися значення енергетичної ширини експоненціального краю поглинання як w = D (hv ) / D (1na ) , температурна залежність якої наведена на фіг. 2. Одержана температурна залежність w апроксимувалася за формулою (2) і визначалися внески температурного wT, статичного (wX)stat та динамічного (wX)dyn структурного розупорядкування за формулами (2) і (6). За результатами досліджень встановлено, що в Sn2P2Se6 неспівмірна фаза існує в інтервалі температур 195≤T≤220K, тобто у вказаному інтервалі температур справджується умова (w X )dyn ¹ 0 , має місце a= паралельне довгохвильове зміщення краю оптичного поглинання та температурна незмінність енергетичної ширини краю поглинання (фіг. 2). Наявність динамічного структурного розупорядкування (wX)dyn у неспівмірній фазі сегнетоелектрика 89385 6 Sn2P2Se6 зумовлена хвилею модуляції, параметри модуляції якої залежні від температури. Винахід може бути використаний у науководослідних лабораторіях при дослідженні параметрів краю оптичного поглинання в фероїках з метою їх використання у ролі функціональних елементів для оптоелектроніки. Джерела інформації: 1. Kurik M.V. Urbach rule (Review) // Phys. Stat. Sol. (a). - 1971. - Vol.8, №1. - P.9-30. 2. Yang Z., Homewood K.P., Finney M.S., Harry M.A., Reeson K.J. Optical absorption study of ion beam synthesized polycrystalline semiconducting FeSi2 // J. Appl. Phys. - 1995. - Vol.78, №3. - P.19581963. 3. Cody G.D., Tiedje Т., Abeles В., Brooks В., Goldstein Y. Disorder and the optical-absorption edge of hydrogenated amorphus silicon // Phys. Rev. Lett. 1981. - Vol.47, №20. - P.1480-1483. 4. Сливка А.Г., Герзанич Е.И., Шуста B.C., Гуранич П.П. Влияние изоморфного замещения и внешнего давления на фундаментальное поглощение света кристаллами Sn(Pb)2P2S(Se)6 // Изв. Вузов. Сер.Физика. - 1999. - №9. - С.23-28. 5. Парсамян Т.К., Хасанов С.С., Шехтман В.Ш., Высочанский Ю.М., Сливка В.Ю. Несоразмерная фаза в собственном сегнетоэлектрике Sn2P2Se6 // Физика твердого тела. - 1985. - Т.27, №11. С.3327-3331. - прототип. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 89385 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601