Оптическая анизотропия сегнетоэлектрических кристаллов с доменной и неспiвмiрно модулированной структурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Еа правах рукопису

КУШНІР Олег Степанович

ОПТИЧНА АНІЗОТРОПІЯ СЕГгіЕТОгЛЕНТРИЧНИХ КРИСТАЛІВ З Д0М2НН0Ю ТА НЕСПШ4ІРНО МОДУЛЬОВАНОЮ СТРУКТУРОЮ

01.04.07. - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізнко-ватематичннх наук

Львів - 1994

Робота виконана на кафедрі нелінійної оптики Львівського державного університету їй. І.франка.

Науковий керівних: доктор фіздасо-математичних наук, професор ВЛОХ Ореот Григорович. ■

Офіційні опоненти: доктор фізико-цатематичних наук, професор СТАСШ Ігор Васильович; кандидат фізико-математичних наук, доцонт СЛОВОДЯНШ Олександр Валентинович. '

Провідна установа: Ужгородський державний університет.

Захист відбудеться дЬ_________ 1994 р. о ЛИ год. на

засіданні спеціалізованої ради Д 068.26.05 при Львівському державному університеті іи. і.франка за адресов: 290005, м. Львів-5, вуя, Ломоносова. 8а, Велика фізична аудиторія. -

8 дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Львівського держанного університету іи. Х.Франка, и. Львів, вул. Драго-ианова, 5. . . ' ■

Вчений секретар * ' .

. спеціалізованої ради,

Оокпор фізико-лателттких наук,' _ . ..

професор . , (Ц£У&-~р, А.Є.їїосенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом спостерігається значний інтерес до сегивтоолектричних (СЕ) кристалів як у зв’язку з вирішенням фундаментальних проблем фізики твердого тіла (природа параметра' порядку, доменна структура, роль граткової та електронної підсистем при фазових переходах та 1н.), так 1 по причині ішрокого використання даних матеріалів в оптико-електронній техніці. Особливу увагу дослідників привертають сегнетоелектрики та сегнетоеластики

з неспівмірно модульованими фазами, оригінальна внутрішня будова і властивості яких є перспективними у застосуванні до практичних потреб сучасної Інформатики. Не'співмірні (НС) кристали е фактично проміжними між строго впорядкованими кристалічними 1 розупорядкованими аморфними тілами. - відзначаючись, зокрема, унікальною чутливістю до зовнішніх факторів та присутніх структурних дефектів.

Широке застосування оптичних методів у фізиці сегнетоелектриків у знатній мірі сприяло Інтенсивному розвитку галузі. Дані методи, завдяки високій точності та ряду Інлих переваг, в одним з ■ важливих інструментів вивчення аномальної поведінки СЕ кристалів в області фазових переходів. Надзвичайно ефективними е кристалоол-тичні методи вивчення структурної перебудови та змін в симетрії середовища, що базуються на дослідженні компонент оптичнЫ анізотропії. ■

Незважаючи на значне число експериментальних 1 теоретичних робіт, усе ще відсутнє послідовне розуміння деяких фундаментальних ' питань кристалооптики СЕ та НС матеріалів 1 багатьох їхніх конкретних властивостей. Так, недостатньо дослідженими е наслідки просторової неоднорідності сегнетоелектриків із-за наявності доменної структури чи НС модуляції. Слабо вивчено особливості полідоменних сегнетофаз. У літературі ведеться дискусія стосовно присутності та походження явища оптичної активності (ОА) в НС фазах1 які по відношенню до більшості фізичних властивостей поводять себе як макроскопічно центром?/,етричні. Не проводилися комплексні дослідження кристалооптичних характеристик поглинаючих та низькосиметричних кристалів. Вирішення проблем аналізу процесу поширення світлових хвиль в анізотропному середовищі та проявів структурних особливостей сегнетоелектриків в оптичних явищах стримується фактичною

відсутністю надійних 1 універсальних експериментальних методів вимірювання компонент оптичної анізотропії кристалів (ОА, лінійного ' двопроменозаломлення (ДДЗ), повороту оптичної індикатриси, дихроїзму). Викладені аргументи доводять актуальність теми дисертаційної роботи. .

Метою роботи є комплексне дослідження оптичної анізотропії СЕ кристалів та впливу на їхні оптичні, характеристики реальної доменної 1 неспівмірно модульованої структури.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

•- аналіз стану поляризації світла при проходженні крізь прозорий та слабодихроїчний еліптично двопроменезаломлюючий кристал 1 вияснення джерел систематичних, поляриметричних похибок за рахунок ' неідеальності елементів оптичної системи;

- розробка на цій основі високоточної універсальної нуль-поля-риметричної методики визначення ОА, ЛДЗ, повороту оптичної Індикатриси, лінійного та циркулярного дихроїзму кристалів;

- вивчення температурних залежностей параметрів природньої та Індукованої зовнішнім електричним полем оптичної анізотропії СЕ кристалів, у тому числі в полідоменному стані;

- експериментальне дослідження оптичних параметрів неспівмірно модульованих сегнетоелектриків 1 впливу на ці параметри відпалу й рентгенівського опромінення кристалу;

■ - феноменологічний аналіз кристалооптичних характеристик про-

сторово модульованих фаз із врахуванням взаємодії структури з дефектами. ’ ' '' •

------Об'єктами досліджень,було обрано СЗ кристали германату свинцю .

РЬ5Се3011( тригліцинсульфату (НН2СН2С00Н)3 •К^ЗОд та неспівмірно модульовані кристали тетрахлорцинкату тетраметиламонію

■ (ЩСНд^^йіСІ^. Вибір об’зетів був зумовлений наступними міркуваннями:

. - воїш е модельними в фізиці СЕ та неспівмірно модульованих фаз,'

але їхня оптична анізотропія вивчена недостатньо;

' - сегнетофази та НС фази даних кристалів знаходяться в температурних Інтервалах, зручних для експериментальних досліджень;

- вихідні високотемпературні фази цих кристалів в негіротроп-кгош, і можна очікувати деяких спільних рис у поведінці їхніх оп-

ч тичних властивостей, зокрема ОА, ‘ '

- з -

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в оригінальності 11 основних експериментальних 1 теоретичних результатів. Зокрема, у роботі вперше: • .

- побудовано високоточний універсальний нуль-поляриметр;

- запропоновано спосіб усунення апаратурних похибок, що поля- ,

гає в поляриметричних вимірюваннях в околі обох головних осей у кристалі; .

- досліджено поведінку усіх компонент оптичної анізотропії

СЕ кристалів германату свинцю 1 тригліцинсульфату при фазових переходах; ■ '

- виязлено ОА 1 поворот оптичної Індикатриси в полідсменних сегнетофазах даних кристалів;

- проведено кількісні дослідження впливу відпалу та рентгенів-

ського опромінення на кристалооптичні параметри НС кристалів (ЩСНз)4)22пС14; ' •

- розроблено феноменологічну модель, яка пояснює особливості

кристалооптики реальних модульованих фаз, зокрема наявність, величину й температурну поведінку ОА в НС кристалах; . .

- показано, що одним Із наслідків'модуляції діелектричних па- '

раметрів може бути відмінність еліптичностей власних світлових хвиль у слабодихроїчному кристалі. .

’ Практична цінність роботи визначається найперше можливістю застосування розробленої універсальної поляриметричної методики для вирішення експериментальних задач фотопружності та визначення параметрів монокристалічних елементів поляризаційно-оптичних при- , строїв. Зокрема, запропоновано поляриметричний спосіб контролю якості поляризаційних призм. . ■ ' •

На захист виносяться наступні полояення:

1. Основні принципи, аналітичні співвідношення, процедури вимірювань 1 обробки експериментальних даних та особливості апаратурної реалізації універсальної нуль-поляриметричної методики визначення параметрів оптичної анізотропії кристалів.

2. Метод усунення систематичних апаратурних похибок за допомогою поляриметричних вимірювань в околі двох кристалофізичних осей •

1 спосіб контролю якості поляризаційних призм на цій основі. Причини обмеженості методу. . ■ .

3. Результати експериментальних досліджень природніх та інду-

кованих'зовнішнім електричним полем ОА 1 ДЦЗ в кристалах германа-•ту свинцю і тригліцинсульфату та їхнє пояснення в рамках феномено-

• логічної теорії власних сегнетоелектриків.

4. Експериментальне виявлення аномальних ОА й повороту оптич-

ної індикатриси в полідоменних сегнетофазах германату свинцю 1 три-гліцинсульфату. .

5. Існування в усереднено центросиметричній НС фазі кристалів (Н(СН3)4)22пС14 явищ ОА та повороту Індикатриси. Температурна по- ' ведінка кристалооптичних параметрів 1 вплив зміни концентрації структурних дбфзктів на них. ’

6. Феноменологічний розгляд особливостей кристалооптики реальних просторово модульованих фаз у діелектриках. Механізми ОА та по- •

■ вороту індикатриси 1 відмінності цих механізмів для випадків слабкої та сильної оптичної анізотропії середовища.

Структура 1 об'єм роботи. Дисертаційна робота складається Із вступу, 5 глав, висновків, додатку та бібліографічного списку. Во' на викладена на 173 сторінках машинописного тексту, включаючи 37 рисунків і І таблицю. Основний текст доповнюється додатком (3 стор.) та списком літератури з 230 бібліографічних найменувань (26 стор.).

У першій главі, що має оглядовий характер, розглянуто криста-лооптичні явища в СЕ та неспівмірно модульованих, кристалах, подано коротку характеристику досліджуваних об’єктів та описано основні експериментальні методи дослідження кристалооптичних параметрів'. У другій главі викладено 1 обгрунтовано робочі принципи та будову високоточного універсального нуль-поляриметра. Третю та четверту глави присвячено, рпису та обговоренню основних експериментальних .

------------результатів по оптичній анізотропії кристалів германату, свинцю.

тригліцинсульфату та тетрахлорцинкату тетрєметиламонію. У п’ятій . главі проведено теоретичний аналіз особливостей кристалооптики реальних просторово модульованих фаз. У додатку описано нуль-поляри-метричний метод контролю якості оптичних поляризаційних призм.

Апробація роботи. Викладені в дисертації результати доповідались та обговорювались на 7-й та 8-й міялародаих конференціях по сегнетоелектриці (Діжон, їранція, 1991 те Гейтерсберг, США, 1993), (8-й міжнародній пікселі по фізиці сегнетоелектриків (Боровіце, Польща, І991), І2-й загальній конференції Європейського фізичного .товариства по фізиці конденсованого середовища (Прага, Чехбсловач-

чина, 1992), 2-ому міжнародному симпозіумі по доменній структурі сегнетоелектриків і споріднених матеріалів (Нант, Франція, 1992), міжнародній конференції по фізиці дефектів у діелектриках (Норд-кірхен, Німеччина, 1992), всесоюзному семінарі "Оптика анізотропних середовищ" (Звенигород, Росія, 1990), 2-ому семінарі СНД-США _ по сегнетоелектриці (Санкт-Петербург, Росія, 1992), республіканській науково-технічній конференції "Параметрична кристалооптика та .

11 застосування" (Львів, 1990), ювілейній науковій конференції до 40-р1ччя фізичного факультету Львівського університету (Львів, 1993), міжнародній школі по оптиці конденсованого стану (Київ,1993), 4-й регіональній конференції молодих учених (Ужгород, 1989) та на щорічних конференціях у Львівському університеті (Львів,1990-1993).

Публікації. По матеріалах дисертаційної роботи опубліковано 12 статей в наукових журналах, І препринт та одержано авторське свідоцтво на винахід.’ . '

КОРОТКИЙ зміст роботи У вступі обгрунтовано актузльність теми дисертаційної роботи, сформульовано 11 мету, висвітлено наукову новизну 1 практичну цін-' ність одержаних результатів, перераховано основні положення, що виносяться на захист, а також викладено короткий зміст глав. .

' Перша глава має оглядовий характер. У ній викладено основи феноменології оптичної анізотропії кристалів, розглянуто особливості кристалооптичних характеристик СЕ та неспівмірно модульованих фаз, описано основні фізичні властивості досліджуваних у роботі криста-, лів германату свинцю, тригліцинсульфату та тетрахлорцинкату-тетра-метиламонію, а також проведено критичний аналіз відомих з літературних джерел експериментальних методів дослідження параметрів оптичної анізотропії кристалів. '

На початку глави визначено основні оптичні параметри, що характеризують еліптично двопроменезаломлюючі кристали, у тому числі за наявності слабого поглинання: ЛДЗ, кути орієнтації оптичної Індикатриси, ОА, лінійний 1 циркулярний дихроїзм. Зазначено суттєвий вплив на ці параметри спонтанної поляризації та доменної структури, наявних у СЕ кристалах. Аналіз експериментальних даних показує, що характер спонтанних електрооптичного та електрогіраційного ефектів у СЕ кристалах визначається симетріє» вихідної-невпорядкованої

фази. Згідно з відомою класифікаціє», стосовно гіротропних власти-

• востей власні сегнетоелектрики поділено на гіроелектрики та гіпер-гіроелектрики. Описано основні закономірності температурної поведінки спонтанних та Індукованих параметричних ефектів для вказаних •груп. . ■

Специфічні фізичні властивості мають СЕ кристали, що володіють неспівмірно модульованими структурними.фазами. Феноменологічно фазовий перехід в НС фазу описують на мові термодинамічного потенці-' алу, який включає Інваріант Ліфяиця, побудований на нормальних координатах двокомпонентного параметра порядку. У роботі обговорено поведінку ДДЗ НС кристалів, у тому числі так званих незворотніх ефектів (гістерезис, пам’ять 1 т.п.), пов’язаних із впливом фази ■ модуляції на оптичні сприйнятливості. Найбільшу увагу надано розгляду явища ОА в НС сполуках. Експериментальні дані по цьому питанню є надзвичайно суперечливими. Дискутується сама наявність гіротропі! в усереднэно макроскопічно центросиметричних НС фазах, а також можливі механізми ОА. Як протилежні, у літературі представлено дві точки зору. Згідно з першою, ОА е наслідком просторової модуляції діелектричних параметрів в Ідеальній НО структурі, а, згідно з другою, вона виникає за рахунок відхилення структури від Ідеальності внаслідок уніполярності як результату залишкових явищ СЕ фази чи впливу дефектів. Зроблено висновок, що перший підхід потребує як Істотних уточнень стосовно проявів напівмакроскопічної неоднорідності НС фаз у кристалооптичних явищах, так 1 розробки наочних трактувань. У рамках' другого підходу відсутні конкретні _модел! виникнення гіротропі!. . . .

У першій главі подано також стислу загальну характеристику кристалів РЬ^е^ 1, (Ш^СІ^СООШд'І^БО^ та (їКСНд^^гпСІ^.

Завершує главу огляд основних експериментальних методів вимірюваная ОА, ЛДЗ, повороту оптичної Індикатриси та дихроїзму кристалів. Описано як фотометричні, так і нуль-поляриметричні методики. Зазначено, що надійні експериментальні методи розроблено тільки для досліджень окремих компонент оптичної анізотропії у випадку домінування того чи іншого ефекту. У той же час, універсальні та зручні на практиці.методи визначення оптичних параметрів, особливо для' низьхосиметричних двовісних та поглинаючих кристалів, відсутні. Існуючі методики характеризуються складністю апаратурної 'реаліза-

•£

ції, відсутністю аналізу джерел систематичних поляриметричних похибок, або неповним і непослідовним їх усуненням.

Другу главу присвячено методичним аспектам роботи. У ній досліджено прояви оптичної анізотропії кристалів у поляриметричних експериментах. Проаналізовано параметри поляризації світла, яке пройшло крізь прозорий 1 слабодихроїчний еліптично двопроменезало-млюючий кристал при малих азимутах поляризації падаючого світла 9 та врахуванні його еліптичності р. Розглянуто систему двох зразків в оптичній системі, і на цій основі пояснено відповідні результати, відомі з літератури.

Внесок паразитної еліптичності р у поляризаційні параметри світла на виході кристалу запропоновано відділяти, використовуючи процедуру поляриметричних вимірювань в околі обох головних осей.

Базуючись на проведених дослідженнях, розроблено універсальну високоточну нуль-поляриме.тричну методику визначення компонент оптичної анізотропії кристалів. Сформульовано 11 принципи, обгрунтовано аналітичні співвідношення 1 відповідні процедури вимірювань 1 обробки експериментальних даних. В основі методу покладено нуль-по-ляриметричні вимірювання азимута х та' еліптичності є світла на ви--ході кристалу при малих азимутах Є. Виконано аналіз вимірювальних процедур у системах РА, РСА, PSA та PSCA 1 усунено систематичні поляриметричні похибки за рахунок неідеальності елементів оптичної системи. Враховано еплив недосконалих поляризатора, аналізатора, компенсатора, оптичних вікон 1 модулятора світла. Поляризатор 1 аналізатор описано, відповідно, малими параметрами недосконалості р, 06 та g, CV, де р 1 q визначають еліптичності світла, а. 60 1 СУ - кутові похибки визначення орієнтації, осей пропускання поляризаторів. Всупереч традиційним поглядам в еліпсометрії, параметр аналізатора 07 не можна виключити з розгляду перевизначенням осей пропускання. Причиною е сукупна дія відхилень світлового пучка в оптичних системах 1 неоднорідності їхніх елементів. Це відповідає чисто оптичним джерелам виникнення систематичних поляриметричних похибок 1 приводить, зокрема, до відмінності величин q 1 ЗУ у різних системах (PA, PSA 1 т.д.). Неідеальності поляризаторів зумов-, люють також неможливість точного виставлення кристалічної пластинки на "погасання" між схрещеними поляризаторами.- . _

У лінійному по малих величинах наближенні одержано наступні

вирази для % і є у випадку слабодихроїчного кристалу: •

. . % = (І-ЯИбсозД + (й-р)зІпД - й' (1+г-созД)] + й%,

є = (1-ЕНЄзІпД + й(1+£-созД) + рсозД + й'зіпД] + Сє, де Д і £' - відповідно, різниця фаз 1 еліптичність власних хвиль у кристалі, які характеризують ЛДЗ 1 ОА, Е їй' - параметри лінійного та циркулярного дихроїзму, .

ах - - сурза.

Єє = 2("Р"5РСА+0УРА+С7РСА'"207РЗСА)'

Встановлено необхідний набір експериментальних величин, визначення яких дозволяє одержати Інформацію про оптичні параметри кристалу. ДДЗ 1 лінійний дихроїзм знаходять із кутових нахилів лінійних залежностей х(б) і є(0):

созл = (ф/сгеуа+^о), зіпд = №/ае)/(і+^о),

Е = - 20, де '

• а = (йх/й6)2+(<3є/гі9)2- 1,

а поворот Індикатриси де і ОА & - Із величин, відповідно, Інваріантного азимута 60 (по визначенню х0=80-Л7рА) та характеристичної еліптичності є0=є(9д):

е0 = (й-р) схвшг) +■ Сх/[2з1п2(Д/2)3 + Д9 + де0, є0 = 2к - р0 + В%сге(Д/2) + Дє0,

де

Ро ~ Р ~

ДЄ0 1 Дє0 - внески за рахунок дихроїзму:

---------------

Усунення систематичних• похибок р, р0, 8% досягать, вживаючи процедуру розвороту зразка на 90° навколо напрямку світлового променя або наявність у кристалі неПротропноі (,&= 0) фази. У першому випадку слід рахуватись Із Істотним пониженням точності знаходження оптичних параметрів з причин, зазначених вище. ТІ ж самі явища, хоч 1 слабше виражені, матимуть місце 1 при використанні елілсомбтричних процедур зонних усереднень.

Друга глава закінчується описом апаратурного забезпечення універсального нуль-поляриметра. його особливістю в, зокрема, відсут-

’ ність оптичних вікон.

У третій главі описано результати експериментальних досліджень гіротропних 1 лінійно двопроменезаломлюючих властивостей СЕ кристалів германату свинцю (фазовий перехід Б ■» 3) та тригліцинсульфату (фазовий перехід 2/т - 2). Для монодоменного я-зрізу кристалів германату свинцю вивчено температурну поведінку ДДЗ (Рис.І) 1 гіра-ційної компоненти (Рис.2). Рис.2 Ілюструє той факт, що вре^у-

Рис.І. Температурні залежності созД (•) 1 0(ДПу2) (о) германату свинцю (а) 1 співвідношення між спонтанним приростом а (ЛПу2) та квадратом спонтанної поляризації Р|| у СЕ фазі (0).

вання недосконалості оптичної апаратури е принциповою .умовою коректного визначення ОА, оскільки по порядку величин к * р0, 6%.

Зміни ОА та ДДЗ при фазовому переході визначаються температурними змінами' параметра порядку за рахунок лінійного спонтанного електрогіраційного та квадратичного спонтанного електрооптичного ефектів. ЕнантІоморфізм СЕ доменів підтверджено також звичайною петлею гістерезису ОА, яка їлав місце при переполяризації зразка зовнішнім електричним полем. Це дозволило віднести гермйнат свинцю до гіроелектриків. Пораховано значення коефіцієнтів спонтанних ефектів. .

• Встановлено присутність малих аномальних ОА та повороту Індикатриси в околі точки Т0 (див. Рис.І) у полідоменній сегнетофазі гер-

манату свинцю, хоча полідоменний зразок інтегрально повинен би описуватися сйметрійною групою 5. При температурі Тд різниця фаз набував значення Д * 2тая, де ш - ціле число. Пояснення явища побудовано на врахуванні впливу спотворення періодичної доменної структури

. Рис.2. Температурні залежності характеристичної еліптичності

. є0 (•) 1 гіраційної компоненти ^ (о) монодоменного '

' кристалу германату свинцю (а) 1 залежність Єд від сг£(£і/2) у парафазі (0). Апаратурні параметри дорівнюють р0 = -5,4хІ0-4 рад 10% = 9,1хІСГ4 рад.

за наявності уніполярності та дефектів, що показує обмеженість ' опису просторово НЄОДНОріДНИХ КрИСТаЛІЧНКХ середовищ- ТОЧКОВОЮ-СИ-метрією. ■

Досліджзно ЛДЗ, поворот Індикатриси та ОА для усіх-головних зрізів кристалів тригліцинсульфату. Результати для добре вивченого (/-зрізу узгоджуються Із літературними даними, одержаними за допомогою Інших методів. Це підтверджує надійність обраної нами експериментальної методики. Визначено температурну поведінку ЛДЗ 0(ДПу2), оигізд) 1 компонент тензора гіраціі 1, £33. їхні спонтанні зміни добре описуються на мові, відповідно, лінійної елект-рогірації та квадратичної електрооптики. При дослідженні х- 1 г-зрізів тригліцинсульфату знайдено також явища, якісно схожі до

зареєстрованих у полідоменній СЕ фазі германату свинцю, але слабше виражені. , '

На прикладі кристалів х-зрізу ми вивчали індуковані електрооптичний 1 електрогіраційний ефекти. Аналіз їхньої поведінки, при-наймі в Інтервалі близько 10 К навколо точки фазового переходу, підтвердив діелектричну природу температурних особливостей польових коефіцієнтів Індукованих ефектів. Дані експериментів засвідчують адекватність феноменологічного опису фазового переходу в три-гліцинсульфаті як власного СЕ переходу другого роду. Визначено коефіцієнти розкладу вільної енергії по ступенях електричної поляризації: А = 2,2х10-3 К_1, В = 2,9х1011 ВьгКл"3. У той ке час, оптичні явища, зареєстровані в полідоменних СЕ фазах германату свинцю 1 тригліцинсульфату, е зумовлені впливом більш тонких механізмів, детально розглянутих у. п'ятій главі. ' '

'" у четвертій главі викладено експериментальні результати, які стосуються оптичної анізотропії НС кристалів (ЩСНд^^гпСІд. Вперше дані дослідження було виконано за допомогою методики, відмінної від фотометричного методу НАЦР, а також вивчено кореляцію між оптичними характеристиками, зокрема ОА, 1 зовнішніми впливами на кристал. ДДЗ, поворот індикатриси, лінійний дихроїзм 1 ОА досліджено для напрямку поширення світла вздовж осі НС модуляції. На одному зразку проведено п’ять послідовних поляриметричних експериментів. У цих.експериментах досліджували, відповідно, свіжови-рощений, відпалений у парафазі протягом 3, 6 і 20 год та опромінений рентгенівським випромінюванням протягом 50 хв кристал, що дозволило прослідкувати вплив концентрації структурних дефектів на оптичну анізотропію. ' -

Виявлено незначний по величині ефективний лінійний дихроїзм (Азе •* 3,6x10-7). зумовлений анізотропним розсіянням світла в зразку. Знайдено, що ДДЗ кристалів АКСНд^^йіСІд змінюється при зміні концентрації дефектів. Визначено температурний діапазон АТ^. вище температури Т1 переходу■ парафаза-НС фаза, де спостерігаються флуктуації параметра порядку: АТ^ « 5 + 7 К. Виявлено закономірність, згідно з якою температура Т1 понижується для більш досконалих зразків.

■ Всередині НО фази спостережено аномальне явище повороту оптичної Індикатриси навколо осі г (усереднена макроскопічна симетрія

НС структури - дал). В околі температури Т0, де ЛПЗ проходить через нуль, ефект володіє критичною поведінкою типу Д0 <* сг0(Д/2). Розбіжність ДЄ біля Т0 стає виразнішою з ростом концентрації дефектів. Проведений аналіз свідчить, що зареєстрований поворот Індикатриси не може бути виключно наслідком недоліків експериментального методу та неврахування лінійного дихроїзму.

Експериментально доведено існування ОА в макроскопічно центро-симетричній НС фазі кристалів икеНд^^гпСІ^ (див. Рис.З).- Для свіжовирощеного зразка в максимумі £33*= 2,9х10”7. Оскільки компонента £33 не може виникнути в СЕ фазі за рахунок спонтанного

. і

9

* г

■ о

' -2

■ -і

ш мо ио

т.к

Рис.З. Температурні залегаюсті гіраціяної компоненти £33

______________кристалів (ЖСНд)^в експериментах І (о),___________

2 (•), 3 (а), 4 (а) 1 5 (хК

електрогіраційного ефекту, ОА не е залишковим явищем сегнетофази. Як наслідок прекурсивного впливу НС фази та наявних дефектів, у свіжовирощеному та опроміненому зразку гіротропія присутня 1 в па-рафазі до температур 5К. Однак, на відміну від даних, наявних у літературі, нами одержано фізично реальні результати, згідно з якими ОА зменшується до нуля при підвищенні температури в парафазі.

Показано, що вплив дефектів на ОА (К(СН3)4)22пС1д е суттєвішим, ніж на ЛДЗ. Зміни концентрації дефектів у зразку приводять до змін основних характеристик гіротропі!- 11 величини 1 характеру темпера-

.•О * . *Ь»о

,, *

• •4°

■ м І— .пАА л С»

*

і

турної поведінки, зокрема в околі точки інверсії ЛДЗ. У сильно відпаленому зразку (експеримент 4 - Рис.З) величина гіротропи складає близько 30% од відповідної величини в свіжовирощеному зразку.

У п'ятій главі проведено феноменологічний аналіз кристалоопти-чних характеристик неоднорідних просторово модульованих фаз у діелектриках при врахуванні взаємодії структури з дефектами. Представлена модель описує НС та полідоменні СЕ 1 сегнетоеластичні Фази. Роглянуто модуляцію як дійсної так і уявної час-

тин діелектричного тензора для аналітично простих випадків П-по-дібноі та трикутної форм модуляційної хвилі. Такий підхід виявився виправданим, оскільки дозволив дослідити вплив спотворень фази модуляції на оптичні властивості середовища. З іншої сторони, результати досліджень показали, що висновки моделі,, швидше за все, не залежать од точної форми.хвилі модуляції. '

' " За допомогою методів дконсівського числення проаналізовано типові модульовані структури - ідеальну та уніполярну структури, а також відповідні структури, що Ілюструють вплив локальних дефектів на модуляційну хвилю. Інформацію про ДДЗ одержували із власних значень матриць Джонса неоднорідних структур, а про орієнтацію оптичної індикатриси та ОА - відповідно, із азимута та еліптичності їхніх власних хвиль. Звідси на основі единих підходів визначено наступні причини появи ОА в макроскопічно центросиметричному діелектричному кристалі:

1) неоднорідність (навіть досконалої) структури в напівмакро-

скопічному масштабі; ■

2) поляризація структури, що зумовлює загальну унілолярність;

3) локальні спотворення фази хвилі модуляції, вплив яких може акумулюватися.

Згідно з моделлю, гіротропія є, найперше, наслідком просторової неоднорідності середовища, а не факту неспівмірності модуляці*.

Доведено, що в модульованому середовищі, крім ОА, додатково виникає поворот оптичної індикатриси, 1 механізми його є подібними до механізмів гіротропи. Виходячи із симетрії згаданйх ефектів, вказано на різницю в їхніх проявах у поляриметричних експериментах. Зазначено цікаву рису оптичних властивостей реальних модульованих систем - їхню залежність від конкретної товщини зразка, зв’язаної із загальною фазовою різницею для власних хвиль. Знайдено, що ЛДЗ

відчуває неоднорідність структури лише в наближенні, квадратичному по модульованих параметрах. У той же час, механізми, пов'язані Із впливом фази модуляції параметра порядку, відіграють визначальну роль у появі ОА та повороту Індикатриси в НС фазі.

Розглянуто фізичні причини локальних спотворень модуляційної хвилі. Зокрема, підкреслено вплив пінінгу хвилі на фіксованих дефектах Із низькою рухливістю. Експериментальні дані глави 4 по дії рентгенівських дефектів на оптичні властивості тетрахлорцицкату тетраметиламонію узгоджуються з висновками моделі. Виявлено причини відмінностей у величині та поведінці зареєстрованої в експериментах • гіротропи вздовж оптичних осей і в суттєво анізотропних напрямках НС кристалів. У першому випадку гіротропія визначається лише інтегральною уніполярністю зразка, а взаємодія НС структури-з-дефектами, в силу експериментальних умов, є менш ефективно».

Обговорено значення граничних умов для фази модуляційної хвилі і співвідношення ролей поверхні та кристалічного об'єму в кристалооптиці НС фаз. Передбачено малість величини ОА в 'модульованих фазах, у порівнянні з ацентричними однорідними фазами. Проведено порівняння з наявними в літературі теоретичними підходами 1 експериментальними даними для НС сполук. Із аналізу температурних залежностей параметрів, включених у модель, одержано температурну поведінку ОА,- у т.ч. біля Т1, температури Фазового переходу НС фаза -СЕ фаза Тс та в околі точки інверсії ЛДЗ т0.

Розглянуто також особливості моделі в застосуванні до слаСоди-хроічного середовища. Порівняння оптичних параметрів однорідного та модульованого слабодихроїчного кристалу свідчить про те, що мо-,_дуляція діелектричної функції, може привести до додаткової відмінності величин еліптичностей власних світлових хвиль.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз стану1 поляризації світла при проходженні крізь еліптично двопроменезаломлюючий кристал для малих азимутів падаючого світла із врахуванням його еліптичності. -Розглянуто практично важливий випадок двох кристалічних зразків в поляризаційно-оптичній системі. Досліджено прояви оптичної анізотропії прозорих та слабодихроічних кристалів в поляриметричних експериментах.

2. Сформульовано методологічні принципи, обгрунтовано аналіти-

чні співвідношення та відповідні процедури вимірювань 1 обробки експериментальних даних, що лежать з основі комплексної високоточної нуль-поляриметричноі методики визначення параметрів оптичної, анізотропії кристалів, яка характеризується усуненням систематичних похибок за рахунок недосконалості елементів оптичної системи та відносно простою апаратурною реалізацією. Проаналізовано вплив неідеальних поляризатора й аналізатора, оптичних вікон, компенсатора 1 модулятора світла на результати вимірювань поляризаційних параметрів світла. Встановлено необхідний набір характеристичних величин, визначення яких дозволяє дослідити всі компоненти оптичної анізотропії. Створено відповідну експериментальну установку.

3. Запропоновано процедуру поляриметричних вимірювань при азимутах падаючого світла, що знаходяться в околі двох головних напрямків у кристалі, для усунення апаратурних похибок та спосіб контроля якості поляризаційних призм на цій основі. Виявлено чисто оптичні джерела походження кутових поляриметричних похибок внаслідок комбінованої дії відхилень світлового пучка в оптичній системі та неоднорідності властивостей елементів останньої. Це обмежує сферу застосовності запропонованої процедури, так само як 1 еліпсоме-тричноі процедури зонних усереднень.

4. Досліджено температурні залежності природніх та індукованих М3, ОА та повороту оптичної індикатриси в парафазі та сегнетофазі СЕ кристалів РЬ^вдО^ 1 (Ш^Сі^СООН )3. Результати пояснено в рамках підходу до даних кристалів як до гіроелектриків. Знайдено коефіцієнти спонтанних та Індукованих електрооптичного й електро-гіраційного ефектів. На основі проведених оптичних досліджень розраховано термодинамічні коефіцієнти, що характеризують власний СЕ фазовий перехід у триглЩинсульфаті.

5. Виявлено малі аномальні ОА і'поворот індикатриси в полідо-

менних сегнетофазах германату свинцю і тригліцивсульфату. показано, що дані явища а наслідком впливу на оптичні властивості доменної структури кристалів. Це Ілюструє обмеженість підходу точкової симетрії в кристалооптиці неоднорідних середовищ. ' ■

6. Експериментально доведено існування ОА та повороту Індикатриси в НС фазі кристалів (ЩСНд)^21101^' яка мав макроскопічно усереднену симетрію тт.

7. Вивчено температурну поведінку параметрів оптичної анізотро-

nil (N(CH3)4JgZnCl^ та вшшв на ці параметри відпалу й рентгенівського опромінення зразка. Встановлено чутливість оптичних властивостей кристалу в HG фазі до концентрації структурних дефектів. Визначено температурні діапазони вище у парафазі, де Істотним,! е флуктуації параметра порядку та залишкові оптичні явища НС фази. Виявлено ефективний лінійний дихроїзм за рахунок анізотропії розсіяння світла на поверхнях 1 в об’олі кристалу.

8. Розроблено джонсівську модель середовіща з модульованими діелектричними параметрами, яка описує НС та полідоменні СЕ 1 сег-нетоеластичні кристали при врахуванні взаємодії структури з дефектами. Проаналізовано кристалооптичні характеристики такого середовіща 1 визначено механізми виникнення ОА та повороту Індикатриси в просторово неоднорідних кристалічних структурах. Проілюстровано,, що висновки, одержані в рамках моделі, не залежать від точної форми модуляційної хвилі. Обговорено роль граничних умов для фази модуляції в кристалооптиці КС кристалів.

9. Показано малість передбачуваної величини гіротропи в порівнянні з вцентричішми однорідними кристалами. Проведено порівняння з наявними в літературі експериментальними даними. Пояснено відмінності спостережуваних величин гіротропи в експериментах для випадків поширення світла вздовж оптичних осей та суттєво анізотропних напрямків у НС кристалах.

10. Передбачено, що модуляція структури приводить до відмінності величин еліптичностей власних хвиль в слабодихроїчному еліптично двопроменвзаломлюючому кристалі.

Основні результати дисертації опубліковано в настушопГробо~ тах: •

1. Влох О.Г., Иушір О.С., Попа Я.І. Дослідження еліптичного дво-

заломлення кристалів// Вісник Львів, ун-ту, сер. фіз.- 1990.-J6 23.- С.17-19. . '

2. Влох О.Г., Иушір О.С., Шопа Я.І. Поляризаційні характеристики світла при проходженні крізь еліптично двопроменезаломлюючий кристал// УФК.- 1990.- Т.35, Я 5.- С.664-667.

3. Кужир О.С., Попа Я.И. Изучение анизотропии поляризационно-оптических свойств кристаллов// 4 региональная конференция молодых ученых: Тезисы докладов.- Ужгород.- 1989.- С.42.

4. Влох О.Г.. Куїтир О.С.. Еопа Я.И. Учет нэссверггэнстЕЭ поляризаторов при исследованиях оптическая активности кристаллов// Кристаллография.- 1992,- Т.37, был. 2.- С.52Э-530.

5. Влох О.Г., Куивсир О.С., Пспа Я.її.; БеретсО. 3.3. Проявление па-

раметров оптической анизотропии кристаллов в поляризационных исследованиях// Препржгт » 6-91 шла АН УССР.- Львов. 1991.-

22 с. .

6. Пот O.G., Kushnir O.S.. Shcpa Y.I. Study of the optical activity of ferroelectric leal gsnnsnate// Acta Physica Polonica A.-1992.- V.81, If 4-5.- P.571-578.

7. Eytomp O.C., Bona Я.И. Влияние нэ совершенств сптачэскях сксн, компенсатора и модулятора на иг^лзрения гиротропкз кристаллов// Депонировано в УкрНКККГИ 20.04.91, Л 763-SK9I.- .С.9І 93.

8. 7 ХоШ O.G.. Kushnir O.S., Shopa 7.1. Gyro tropic properties of “PbgGegO^ ferroelectric crystals// Ferro electrics.- 1992.7.126.- P.97-102.

9. Vlckh O.G., Kushnir O.S., Shopa 7.1. The gyrotropy of the layered ferroelectric crystals// 7th International Keeting on Per-roelectrlcity: Abstracts book.- Dijon. Trance.- 1991.- P.351.

’ 10. Вмхг О.Г., Kyusiip O.C., Bona Я.І. Протропія періодичних шару-

■ ватих кристалічних середовищ// Республіканська науково-технічна конференція "Параметрична кристалооптика та 11 застосування": Тези доповіде*.- Львів,- 1990.- С.44.

11. Влсх О.Г., Кушнір О.С.. Попа ЯЛ. Протропія шаруватих кристалічних структур// ИЗ.- 1991.- Т.26, 5 5.- С.682-686.

12. Kushnir O.S., Shopa Y.I.. VloPJi O.G. Optical activity of fer-

roelectric TGS crystals// 12th General Conference of the Condensed Matter Division: Abstract book, V.16A.- Praha, Czechoslovakia.- 1992.- P.115. ’ ’

13. Влох О.Г., Rytmlp O.C., Sana ЯЛ. Природня оптична активність та лінійне двопроменезаломлення сегнетоелектричних кристалів ТГС// УФЖ.- 1993.- Т.ЗЗ, JS 7.- C.I027-I03I.

14. Kushnir O.S., Shopa Y.I., VloWi O.G. Gyro tropic and blrefrln-

gent properties of ferroelectric TGS// Ferroelectrlcs.- 1993.’ V.143.- P.187-193. .

15. Euetmtr O.S.. Shopa Y.I., TloWi O.G. Optical activity In Incommensurate (H(caj)^)2znci4// 2nd International Spnposlum on

Domaln Structure of Ferroeleotrlcs and Related Materials: Abstracts book.- Nantes, Prance.- 1992.- P.118.

16. Вмх О.Г., Kywtp O.C., dona Я.Г. Про оптичну активність не-співмірних кристалів (N(CH3)4)2ZnCl4// УФЖ.- 1993.- Т.38,

* 6.- С.869-871.

17. Ruahnlr O.S., Shopa Г.I., Vlokh O.G. Optical study оf lncom-mensurately modulated (Н(СНд)4)2ZnCl4 crystals// Europhyslcs Letters.- 1993.- V.22, N 5.- P.389-393. .

18. Kuahnlr O.S., Shopa Y.I.. Vlotih O.G., Polovlnko 1.1., Svele-ba S.A. The Influence of annealing and Х-lrradlatlon on the optical anisotropy In incommensurate (N(№3)4 )2ZnCl4//

J. Phys.: Condens. Matter.- 1993,- V.5.- P.4759-4766.

19. Kushnir O.S., Shopa Y.I., Vlokh O.G. Influence of defects on •

• optical activity of modulated ferroelectric crystals// International Conference on Defects In Insulating Materials: Abstracts.- Nordklrchen, Germany.- 1992.- P.124.

20. Кумнир O.C. Оптическое пропускание гиротропного несоразмерного кристалла в поляризационной системе // Депонировано в УкрНШОТ! 30.04.91, Л 763-УК9І.- С.94-96.

21. Ku$hntr O.S., Vlokh O.G. Peculiar properties of crystal optics in real modulated phases// J. Phys.: Condens. Matter.- 1993.-V.5.- P.7017-7032.

22. Вдох О.Г., Hymlp O.C., Шопа Я.1. Кристалооптичні характеристики слабодихроїчного модульованого середовища// Наукова конференція до 40-р1ччя фіз. ф-ту Львів, ун-ту: Тези доповідей (Секція "Експериментальна фізика").- Львів.- 1993.- С.97.

23. Кизіїпіг 0 .S 77 Рої оЬ I nko 1.1., Shopa У .1., УІ оЫгО. G.—Pecul la----

■ rltles of optical activity In Incommensurate phases// 8th In- •

tematlonal Meeting on Ferroelectrlclty: Program summary and Abstract book.- Gaithersburg, USA.- 1993.- P.212. ,

24. Bjlox О.Г., Куинир O.C., Шопа Я.И. Способ контроля качества поляризационных призм// А.С. СССР J6 1746263 от 8.03.92^./

Підписано до друку 27.01.94 Формат 60x64/16. Друк офсет. Іап!р "офс.

Умов друк. арк. 1,16 Умов фарбо - відб. 1,16 Обл.вид. арк. 1,09.

Тираж 100 прим. Зам. 2ІС6

Обласна книжкова друкарня 290000,мЛьвів вул. Стефашка,' II