Влияние одноосных напряжений на рефракционные свойства кристаллов группы A2BX4 с инверсией знака двупреломления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИЧНОЇ ОПТИКИ

~ 1, 0\Я ^

Б Р ЕЗ В ІН

С"'

Руслан Степанович \

УДК 535.323, 535.53, 537.226, 548.0

ВПЛИВ ОДНОВІСНИХ ТИСКІВ НА РЕФРАКЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ ГРУПИ А2ВХ4 з інверсією знака ДВОПРОМЕНЕЗАЛОМЛЕННЯ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізичної оптики Міністерства освіти і науки України (м. Львів) та Львівському національному університеті імені Івана Франка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Романюк Микола Олексійович,

Львівський національний університет імені Івана Франка, кафедра “Експериментальна фізика”

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Влох Ростислав Орестович,

Державний університет “Львівська політехніка” кафедра “Електронні прилади”

кандидат фізико-математичних наук, доцент Кушнір Олег Степанович,

Львівський національний університет імені Івана Франка, кафедра “Нелінійна оптика”

Провідна установа: Ужгородський державний університет, фізичний факультет,

Міністерство освіти і науки України (м. Ужгород)

Захист відбудеться ¿.С,.........й£... 2000 року о 15 год. ЗО хв. на засіданн

спеціалізованої вченої ради Д 35.071.01 при Інституті фізичної оптики за адресою 79005, м. Львів, аул, Драгоманова, 23.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізичної оптики зі адресою: 79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 23.

Автореферат розісланий5^.. 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фіз.-мат. наук, доцент

Юшмів І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом значна увага приділяється кристалам з інверсією знака двопроменезаломлення. Після встановлення температурно-спектральних діаграм інверсії знака двопроменезаломлення було запропоновано використати їх для задання і вимірювання температури та створення реперних температурних точок. Ці роботи започатковані у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Поряд з пошуком нових кристалів досліджувались відомі кристали на стійкість точки інверсії знака двопроменезаломлення щодо відпалу зразків, термоциклювання, впливу домішок, дефектів і зовнішніх полів. Важливим є пошук нових кристалів, які б охоплювали ще не освоєні області температур, доступні області спектра, були дешевими та зручними технологічно. Крім сказаного, заміна елементів структури, інші фактори впливу на двопроменезаломлення кристалів повинні би сприяти створенню мікроскопічної теорії ефекту та пошуку стабільних матеріалів. Тонкий ефект інверсії знака двопроменезаломлення може бути чутливим індикатором особливостей фазових переходів (ФП), несумірних фаз (НФ) та інше.

До початку наших досліджень було виконано низку робіт по вивченню двопроменезаломлгоіочих властивостей різноманітних кристалів, однак практично відсутні відомості про вплив одновісного механічного тиску на спектральні залежності двопроменезаломлення, поведінку ізотропних точок та фазових переходів.

У зв'язку з викладеним, завданням роботи був пошук і дослідження нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення, встановлення впливу заміщень елементів структури та зовнішніх полів на характеристики ефекту.

Об'єктами дослідження були відомі сегнетоелектричні кристали (МН^ВеРі і ІлКУОц, що володіють інверсіею знака двопроменезаломлення та низкою фазових переходів, а також кристали сингеніту (ЮСа^О^ НгО). З ряду ізоморфних кристалів типу АВБО^і, де А, В = Ьі, К, N3, ІІЬ, Се і КН4, що в принципі можуть володіти інверсією знака двопроменезаломлення, було вирощено декілька ізоморфних кристалів і вибрано для детальних досліджень кристали та КЬКБО^

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з держбюджетними фундаментальними 'дослідженнями, які ведуться в лабораторії параметричної кристалооптики та рефрактометрії Інституту фізичної оптики за проектом Міністерства освіти України “Явища і процеси фізичної оптики та лазерної фізики" (№ д.р. (ШбУООбУІб, тема ІФО-24: № д.р. 0І96У006996, тема ІФО-29), а також в лабораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка за проектом Міністерства освіти України “Аномальна оптична

анізотропія в діелектричних та напів-провідникових кристалах" (№ д.р. 01У7У018121, тем; Фе-284 Б).

Мета та основні завдання лосліяження. Основною метою дисертаційної роботі були порівняльні дослідження інверсії знака двопроменезаломлення (ІЗД) та вплив; одновісного механічного тиску на показники заломлення, двопроменезаломлення т; інверсію знака двопроменезаломлення деяких вперше синтезованих та відомих кристалів що володіють точкою інверсії знака двопроменезаломлення. Досягнення цієї мети вимагаж вирішення наступних основних завдань:

1. Пошук нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення.

2. Дослідження дисперсії і температурних змін показників заломлення Пі(Х,Т) двопроменезаломлення Дпі(А.,Т) вперше вирощених кристалів КЬМН4304 та ЯЬК504 широкій області спектра (250-850 нм) і температур (77-820 К), їх апроксимація формулс Зельмейєра, розрахунок параметрів ефективних ультрафіолетових і інфрачервоні осциляторів, електронної поляризовності та рефракції.

3. Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюю властивості та точку інверсії знака двопроменезаломлення кристалів К.ЬМН45С (ИН^ВеК,, ІЖ304 та К2Са(304)гІШ.

4. Дослідження спектральних і температурних змін п'єзооптичних коефіцієнтів в околі точі інверсії знака двопроменезаломлення і точок фазових переходів.

5. Оптичне дослідження баричних зміщень точок фазових переходів між параелектричної несумірною та сумірною фазами.

6. Побудова температурно-спектрально-баричних діаграм ізотропного стану досліджувані кристалів та розгляд можливостей їх практичного застосування.

Наукова новизна одержаних результатів:

• вперше вирощено оптично якісні кристали КЬМН4504 і ЯЬКБО^, досліджено температур та спектральні зміни їх показників заломлення і двопроменезаломлення в усьол температурному діапазоні їх існування, виявлено інверсію знака двопроменезаломлення;

• встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичні напрямків суттєво змінює двопроменезаломлення досліджуваних кристалів, а при зміні о тиску прирости двопроменезаломлення змінюють знак:

• розраховано температурні та спектральні залежності комбінованих п'єзооптичш констант досліджуваних кристалів, виявлено підвищення симетрії їх тензора в райо точки інверсії знака двопроменезаломлення:

• на основі експериментальних даних побудовано температурно-спектрально-барич діаграми інверсії знака двопроменезаломлення досліджуваних кристалів;

• досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки фазових переходів кристалів ЬіКБОа, (ТМН4)'Вер4 і КЬМІ-ЬЗОї; виявлено точку зникнення несумірної фази кристалів иК-БО-і та (1МН4)!Вер4.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

• у вдосконаленні методики впрошування кристалів шляхом випаровування, що дозволило уникнути розтріскування кристалів при високотемпературних фазових переходах;

• у виявленні нових кристалів (ИЬЇ'ЩцЗСЬ і ЯЬІСЗО^), що володіють інверсією знака двопроменезаломлення в широких температурних і спектральних діапазонах та розширенні відомого ряду кристалів групи А2ВХ4З цією особливістю;

• у розробці методики дослідження впливу одновісних механічних тисків на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при одночасній зміні температури і довжини світлової хвилі;

» у встановленні можливості зміни (розширення або звуження) температурного і

спектрального діапазонів існування інверсії знака двопроменезаломлення кристалів при прикладанні одновісних тисків уздовж різних кристалофізичних напрямів; '

• в обгрунтуванні очікуваних структурних змін кристалічної гратки при фазовому переході в кристалі ІІЬМШЗС^ на основі баричної залежності температури фазового переходу;

» у побудові температурно-спектрально-баричних діаграм точок інверсії знака

двопромене-заломлення кристалів і розробці на їх основі ідеї кристалооптичних датчиків тиску; у розширенні кола матеріалів для кристалооптичних датчиків температури.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі, з'ясування напрямів шсертаційної роботи та обговорення результатів досліджень виконані разом з науковим серівником, професором кафедри експериментальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка, доктором фіз.-мат. наук М.О.Романюком, а також - з іоцентом цієї ж кафедри, кандидатом фіз.-мат. наук В.И.Стадником. У процесі виконання шсертаційної роботи здобувач виготовив установку для вимірювання впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при температурах, іищих кімнатної, виростив кристали та підготував зразки для досліджень, одержав :кспериментальні результати, виконав їх обробку. Синтез і вирощування кристалів, ¡имірювання температурних та спектральних залежностей показників заломлення і [вопроменезаломления, дослідження впливу одновісного механічного тиску на [волроменезаломлюючі властивості при температурах Т<300 К було проведено в абораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка.

Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при Т>300 К проведені в Інституті фізичної оптики.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на;

• XIV Українській школі-семінарі “Спектроскопія молекул та кристалів” (Україна, Харків,

10-16 травня. 1993 p.);

• Українсько-польській і східно-європейській школі-семінарі по фізиці сегнетоелектриків (Україна, Ужгород, 18-24 вересня, 1994 p.);

• міжнародній конференції з оптичних діагностичних матеріалів (Україна, Київ,

11-13 травня, 1995 p.);

• міжнародній конференції до 150-річчя від дня народження І.Пулюя (Україна, Львів, 23-26 травня, 1995 р.);

■ XXII міжнародній школі по сегнетоелектриці (Польща, Кудова Здруй, 16-20 вересня, 1996 р.);

• Першій Українській школі-семінарі з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (Україна, Львів, 26-28 серпня 1999 p.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 наукову працю, серед яких 11 статей у профільних наукових журналах і 10 тез доповідей у збірниках наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести основних розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота містить 139 сторінок друкованого тексту, 60 рисунків, 8 таблиць та перелік літературних джерел із 125 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету роботи, її наукову і практичну цінність.

У першому розділі подано короткий опис явища інверсії знака двопроменезаломлення в кристалах та літературний огляд фізичних властивостей об'єктів дослідження. ■

Відмічено, що у кристалах L1KSO4 температури і характер ФП точно не встановлені, а відмінності числових значень оптичних констант пояснюються природою зразків, їхньою передісторією, часовим інтервалом вимірювань, доменною структурою.

Проаналізовано зміну оптико-фізичних властивостей досліджуваних кристалів у районі ізотропної точки. В кристалі ІЖБО-і температурний хід точки інверсії знака двопроменезаломлення не залежить відзнака зміни температури зразка. Кристал (>Щ-і).Вгр4 має дві ізотропні точки: для області спектра 400-1000 нм температурне положення низькотемпературної ізотропної точки (Т=76 К) практично не залежить від довжини хвилі (сШЛіТ-»ос), в області 200-400 нм її спектральне положення має слабку температурну залежність, а температурно-спектральна залежність одновісного стану оптичної індикатриси в районі 309 К змінює знак похідної (Ш/сіТ при \=500 нм. В кристалі КгСа^О-Ог НгО при Т=418 К для Х=632.8 нм виявлено ізотропну точку, яка при пониженні температури рухається в довгохвильову область спектра.

Встановлено, що відомості про п'єзооптичні властивості кристалів типу А2ВХ4 є малочисельні і практично відсутні дані про температурні і спектральні залежності п'єзооптичних констант інших досліджуваних кристалів.

У другому розділі описано методики вирощування й установки кристалів та досліджень їх оптичних властивостей, в т.ч. у полі механічних напруг.

Кристали ЯЬМЬЗОд та КЬКБ04 були отримані з водного розчину методами випаровування і пониження температури і мали добре розвинуту огранку. Орієнтація кристалів проводилась за їх огранкою з використанням методу погасання та коноскопічних картин. Встановлено, що вони належать до ромбічної сингонії, імовірна група тгаш; вважалось, що в парафазі (ПФ) параметри гратки а<с<Ь (КхІ І а, N,.11Ь, Мг| І с).

Описано методики дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення методом Обреїмова та двопроменезаломлення інтерференційним методом. Поляризоване світло отримували за допомогою призм Глана-Фуко.

Детально описано оригінальну методику дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів: описані спеціальні приставки до кріостата і до високотемпературної пічки, що дозволяють стискати кристал з допомогою набору каліброваних вантажів до напруг а=200 бар. Вимірювання двопроменезаломлення проводилося за зміною інтерференційної картини, залежної від теплового і механічного полів:

Дп(Т, а)=к(Т, а) • X /<і(Т, а).

Змінюючи один із параметрів (Т або а) при фіксованому іншому, за зміщенням екстремумів к(Т, а) інтерференційної картини можна однозначно визначити температурну чи баричну залежність двопроменезаломлення Дп.

У видимій області спектра точку інверсії знака двопроменезаломлення встановлювали і контролювали за формою коноскопічної фігури, в ультрафіолетовій - за

зміщенням смуги інтерференції порядку к=0.

П'єзооптичні константи розраховано на основі експериментально виміряних індукованих приростів двопроменезаломлення 5Дпк за формулою:

5(бАпк)/Зстт = Я°кт = ГС*кт - 2Дпк5кт або 7Г*кт = Л°кт + 2ДПкЗкт . де Л°кт - комбіновані П'ЄЗООПТИЧНІ константи. Бкт - коефіцієнти пружної податливості.

Константи формули Зельмейєра розраховано за наявними програмами.

У третьому розділі представлені результати дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення і двопроменезаломлення для трьох кристалофізичних напрямків кристалів КЬ^ІШЗО-і та ЯЬКЗО^ в області 250-850 нм і практично в усьому температурному діапазоні існування цих кристалів (77-820 К).

Встановлено, що в спектральному діапазоні 300-800 нм дисперсія показників заломлення Пі(Х) кристалів ЇІЬМШЗО-і і ЯЬКЗОї нормальна (і=Х, У, Т) і добре описується двоосциляторною формулою Зельмейєра:

Пі2(Х) = 1 + (ВАгоАг)/(\2-ХЛі) + (Ві'Х2о2^г)/(^2-?.2ог), де константи Ві, Ві', Хоі, Хт залежні від температури.

На основі експериментальних залежностей п,(Х) розраховані електронна поляри-зовність а і і питомі рефракції Яі дослідхсуваних кристалів:

.. (п1-1)/(п,г+2)=4лН0 а, /3=(р/ц)Иі,

а також ефективні параметри формули Зельмейєра (таблиця 1).

Таблиця 1

Параметри ефективних осциляторів, поляризовність та рефракція кристалів

Р.ЬХ'ШЗОд і ¡^ЬКБО-і при кімнатній температурі

яькза*

вісь Хоі.НМ Я-02,НМ Ві,10-с НМ'2 нм-2 Х.0І.НМ Хл2,НМ Ві,10-‘ НМ'2 В'і.іО» НМ’2

X 87.31 10320.21 168.46 41.30 97.118 8225.82 128.91 15.31

У 93.82 7778.43 143.34 10.02 94.708 9120.13 134.03 6.96

г 97.04 8366.57 135.34 12.00 84.198 11230.4 172.20 3.69

а,, 10 24 см3 . Яі, см’ осі, 1024 см3 Я„ см3

X 9.04 23.29 8.99 21.15

У 9.15 23.32 8.93 21.19

г 9.18 23.49 8.97 21.09

Порівняння параметрів оптичної індикатриси кристалів ІІЬМН^Оі з ізоморфними кристалами ЯЬгБО« і (МІІ^гЗОі показало наступні зміни при катіонному заміщенні: заміна

(NHj)*->Rb* приводить до зростання показників заломлення в середньому на (3...5) 103, зміщення приблизно на 7 нм в сторону коротких, а h>, - на 3 нм в сторону довгих хвиль, при цьому електронна поляризовність зростає на (0,2...0,3)1024 см\ а питома рефракція - на 0,3...0,7 см5. Заміна Rb*->NH4+ веде до зменшення ш на (3...6)10-\ ‘кп, зміщається в сторону коротших довжин хвиль на 4...7 нм, електронна поляризовність і питома рефракція дещо зменшуються (на (0,03...0,07) ІО24 см’ і 0,005...0,01 см3, відповідно).

Розраховані повні рефракції кристалів RbNH4S04 і RbKS04 добре узгоджуються з сумою питомих рефракцій їх компонент і показують, що катіони К+ дають вклад І 5%, Rb* -21% і NH4* - 22% в загальну рефракцію розгяяданих кристалів.

Температурні зміни показників заломлення кристалів RbivSCU дали змогу виявити два фазові переходи 1-го роду при Т=115,5 К і Т=820 К.

При пониженні температури показники заломлення кристалів RbNH4SC>4 збільшуються і при Т=120 К має місце зміна нахилу кривих Пі(Т), що свідчить про ФП 2-го роду.

Виявлено точки інверсії знака двопроменезаломлення у кристалах RbNH4S04 і RbKS04. У кристалі RbNHiSOt така точка спостерігається для осі Y при 189 К і 633 нм, а її температурна чутливість дХ/дТ виявилась дуже високою. При цьому мають місце такі зміни коноскопічних фігур: при кімнатній температурі для довжини хвилі Х=633 нм кут між оптичними осями дорівнює 41°30\ для 189 К кристал стає одновісним, при нижчих температурах кут між осями знову збільшується, але оптичні осі з площини XY переходять у площину YZ. У кристалах RbKSC^ існують три ізотропні точки у всіх трьох кристалофпичних напрямках зразка.

У четвертому розділі представлені результати дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості досліджуваних кристалів LiKSOi, (NH4)2BeF4, RbNH4S04 та K2Ca(S04)2 H20.

Встановлено наступну закономірність: двопроменезаломлення кристалів L1KSO4, (NH4>2BeF4, RbNH4SC>4 і K2Ca(S04)2 НгО достатньо чутливе до основісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей; одновісний механічний тиск уздовж взаємно-перпендикулярних кристалофізичних осей Сі,ш приводить до різних за знаком і величиною змін Anj (і, j, ш = 1. 2, 3).

Для кристала LiKSC>4 спектральна залежність двопроменезаломлення свідчить про те. що в районі точки ІЗД dÄn,/dcz є значним, а при віддаленні від неї воно виходить на часичення.

Для кристала (NHi^BeF* виявлено, що при стисненні зразка вздовж осі більшого юказника заломлення (а» II X II Nf) 5(Дпг)>0, при стиску вздовж осі меншого показника

заломлення (опІІУ I|NS) 6(Änz)<0. Для напрямку Y, який в кристалі (NlhhBeF-i відповідає інверсії знака двопроменезаломлення. також виконуються раніше зроблені висновки відносно знаків приросту 5Anv і S(dA%/dA.). однак dAru/dX має різні знаки для Л>500 нм і Х<500 нм. Зміщення кривих Дпу(ст) вверх або вниз відносно кривої ненавантаженого зразка веде до розширення (ст5) або звуження (аг) спектрального інтервалу між точками інверсії знака двопроменезаломлення Дпу=0, що відповідає одній температурі зразка.

Лінійними виявились температурні залежності Дп; вільних та затиснутих зразків K2Ca(S04)2H20.

ДПУ,Ю

-4

Дпу, 10

,-4

Рис.1. Барична залежність

двопроменезаломлення кристалів LiKS04 (--о—) та (NH4)2BeF4( • ) для Х,=500 нм при Т-294 К: I-az, 2-ст*.

Виявлено баричні зміщення температури ФП досліджуваних кристалів. Для кристалів (NH4)2BeF4 встановлено, що під дією одновісного тиску сь і сіу ФП зміщуються в сторону низьких температур (dTj/da. = - 0.011 К/бар і dT,/dav = - 0,016 К/бар, dTi/da; = - 0,009 К/бар і dTt/dcy = - 0,012 К/бар), а під дією одновісного тиску а2 - в сторону високих температур (dTi/döz= 0,003 К/бар і dTc/doz - 0,005 К/бар). При цьому сумарні коефіцієнти зміщень точок ФП під дією всіх одновісних тисків вздовж головних кристалофізичних напрямків рівні: dTi/dtr = - 0,017 К/бар і dTc/da = - 0,023 К/бар. У загальному, точки ФП кристалів (NH4)2BeF4 зміщуються в сторону низьких температур, що узгоджується з характером впливу гідростатичного тиску на їх ФП.

Показано, ЩО ОДНОВІСНІ ТИСКИ Ох і ау ведуть до розширення НФ і переміщення температурного інтервалу існування останньої в сторону нижчих температур. Одновісний тиск az веде до звуження НФ. Шляхом лінійної екстраполяції прямих Ті(а7) встановлено, що при тисках az~2,3 кбар і Т~190 К в кристалі fNH4)2BeF4 зникне несумірна фаза і буде мати місце ФП парафаза - сегнетоелектрична фаза.

Встановлено наступні баричні коефіцієнти зміщення температур ФП для кристала LiKSQ«: dTi/do2=0.07 К/бар і dTc/dc* =0.12 К/бар. Шляхом екстраполяції лінійних

залежностей Ті Дс;) визначено, що при тиску а/~ 1.4 кбар в кристалі ЬіКБО і зникле НФ і при Т=353 К виникає "потрійна точка" - ФП кімнатнотемпературна - сегнетоеластична фаза. Механічний одновісннн тиск вздовж осі У приводить до зміщення ФП в область низьких температур зі швидкостями (ПУсіа,- = - 0.045 К/бар і <ПУ(1ау = - 0.107 КУбар, так що НФ кристала иКБО.» розширюється.

Для кристала КЬМН.»50.і загальні особливості такі: зміни Дпі пропорційні до температури, при переході через точку ФП (приблизно 120"К) змінюється знак похідної а=5ДПі/5Т (а<0 при Т> 120 К, а>0 при Т < 120 К), модуль а у фазі II більший, ніжу фазі І, а в точці ФП спостерігається злом на залежності а(Т). під впливом тиску зміщується точка ФП в область низьких температур (тиски о* та оу) або в область високих температур (тиск стг).

з

“Сумарний” (гідростатичний) коефіцієнт зміщення: с?Тс/5р = У Тс/5аі =-0,015 КУбар.

• ¡=і

Отримані результати пов'язуються з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру кристалів: тиски сприяють повертанню тетраедрів ВеРі2' чи БО^2- і тим самим зміщують ФП в сторону високих температур, тиски Сту і ач “гальмують" повертання цих тетраедрів і тим самим зміщують ФП в сторону низьких температур.

Аналогічно пояснюються баричні зміщення точок ФП у кристалах ІШМИ-іЗО-і-

У п'ятому розділі представлені результати досліджень комбінованих п'єзооптичних коефіцієнтів кристалів у широкому спектральному (300...750 нм) і температурному (77...500 К) діапазонах, що охоплюють області фазових переходів та ізотропних точок.

Для кристала ЬіКЗОл встановлено, що л°/т змінюється з температурою нелінійно; в парафазі і в несумірній фазі - зменшується, а в сегнетоеластичній фазі (СФ) - збільшується. При Т=185 К виявлено різку стрибкоподібну зміну яиіз. Значна аномалія тс°із в точці Тс обумовлена зміною індукованого двопроменезаломлення за рахунок виникнення спонтанної деформації та солітонної структури кристала. У точці інверсії знака Дпі підвищується не тільки симетрія тензора ІІ-го рангу, який описує оптичну індикатрису, але й симетрія тензора п'єзооптичних констант (IV ранг), який описує зміни двопроменезаломлення під дією одновісного тиску.

Розраховано спектральні і температурні залежності абсолютних п'єзооптичних коне ган і' кристалів (Іч'Н^гВеРії шляхом розв'язку системи рівнянь типу:

8ДПі= (Дп,- Дпі;) = - 1/2 [іг, 7І]т- п\ ЯктІОт з дев'ятьма невідомими п^. де бДпі - зміна двопроменезаломлення вздовж осі і при одновісному стиску вздовж кристалофізичної осі т: щт - абсолютні п'єзооптичні константи. Пі, Пк - абсолютні значення показників заломлення. Характер аномалій при ФП ПФ-НФ і НФ-СФ (зміна нахилу кривих тг|т(Т)> відповідає характеру аномальних змін показників

заломлення і двопроменезаломлення приданих ФП і обумовлений параметром порядку НФ, спонтанною деформацією і спонтанною поляризацією СФ.

Проведені вимірювання для кристалів показали, що температурні зміни

7с°іт практично лінійні у полярній та параелектричній фазі. При ФП змінюється знак та абсолютна величина дл'-'шІдТ. Максимальне значення має константа 7г°гз, так що стиск вздовж осі У суттєво впливає на компоненти у перпендикулярній площині, що узгоджується з відомим упорядкуванням тетраедрів під час ФП.

У шостому розділі приведені температурно-спектрально-баричні діаграми ізотропного стану і пропонується практичне використання даних кристалів.

Для кристала (МН^іВеР* виявлено, що при одновісний тиск уздовж осі 7*

суттєво зміщує точку ІЗД в сторону низьких температур. При тисках а,~І00 бар точка зміни знака похідної дкаІдТ діаграми Хл(Т) (А,=500 нм) зміщується на 4 К (Т=306 К) в сторону нижчих температур, тиск а* зміщує ізотропну точку в сторону високих температур. При Т=сопзІ одновісний тиск сгх зміщує Хоі в довгохвильову область спектра, а Яв2 - в короткохвильову. Одновісний тиск уздовж осі 2, зміщує точки ІЗД в різні сторони, але протилежні ДО зміщень, викликаних Ох.

Рис. 2. Температурно-спектральна діаграма ізотропного

стану кристала ІІЬМШЗО,; для різних значень і напрямів одновісних

тисків:

1- аг =200 бар, 2- сті=0 бар, З- Сх =200 бар.

У напружених зразках ІлКБОд точка ІЗД при постійній температурі зміщується в короткохвильову ділянку спектра (тиск уздовж осі X), притому більш чутливими до тисків є довгохвильові (вони ж і низькотемпературні) частини діаграми, і з ростом тиску ця чутливість дещо зменшується. Одновісний механічний тиск уздовж осі У зміщує температурно-спектральну діаграму ІЗД у протилежну сторону: при постійній температурі точка інверсії зміщується в довгохвильову ділянку спектра. В даному випадку більш чутливими до напруг є короткохвильові (вони ж і високотемпературні) частини діаграми.

У кристалах №N1448 04 одновісні механічні тиски сг< і а, також ведуть до зміщення точки ІЗД. відповідно, в сторони нижчих і вищих температур, принципово не змінюючи самого характеру залежності Хо(Т) (рис.2). При цьому коефіцієнти спектрального зміщення ізотропної точки для двох областей Хо(Т) суттєво не відрізняються.

Побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми одновісного стану кристалів ЬіК$04, (ЫН4)2Вер4, ЛЬМН4304 та КгСа(304)гН2О, які дають можливість однозначно внзначати ізотропний стан даних кристалів при незмінному одному з параметрів а, X чи Т.

У роботі для відомого поляризаційно-оптичного, методу вимірювання температури запропоновано як робочий матеріал кристал КЬКН45 04. Аналіз температурно-спектральних змін Дпі і поведінка інверсії знака двопроменезаломлення показують, що найбільш придатним температурним діапазоном використання кристала ЯЬНН4$04 в якості кристалооптичного датчика температури є діапазон 150...500 К, оскільки температурні зміни Дп тут майже лінійні, а спектральним діапазоном - 300...800 нм, оскільки дисперсія Дп тут нормальна і практично не залежить від X.

Запропоновано пристрій для вимірювання одновісіїих тисків на основі баричної залежності інверсії знака Дпь подібно до того, як для задання і вимірювання температури використовують температурну залежність її спектрального положення.

Виходячи з відомої залежності спектрального положення ізотропної точки від тиску при фіксованій температурі датчика, за формою коноскопічної фігури, характерної для

310 г, к

Рис.З.Температурно-

спектрально-барична діаграма ізотропного стану кристала (¡'ЇН^гВсГд.

и

зразка одновісного кристала, перпендикулярного до оптичної осі, і за мінімумом фотоструму знаходять шукану величину сг*. Проаналізовано чутливість датчика і його переваги над іншими. В якості кристалооптичного давача тиску пропонується використовувати кристал (ІЧН^іВеРі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

І. Вперше вирощено із водного розчину оптично якісні кристали НЬК^О-і і ЯЬЫН45 04-

2. Досліджено температурні (77-820 К) та спектральні (250-850 нм) залежності головних показників заломлення і двопроменезаломлення кристалів ЯЬКБО) та КЬЫН4804. Встановлено, що в розгляданій області спектра і температур дисперсія щ(Х) нормальна і добре описується двоосциляторкою формулою Зельмейєра. Виявлено одну ізотропну точку в кристалі Н.ЬКН4304 і три ізотропні точки в кристалі КЬК304. Розраховані рефракції, електронні подяризовності, параметри ефективних ультрафіолетового й інфрачервоного осциляторів. На основі температурних залежностей п,(Т) і Дпі(Т) виявлено фазові переходи 1-го роду при Т=116 К і Т=820 К в кристалах ЯЬК304 і фазовий перехід 2-го роду при Т=120 К в кристалах К.ЬМН4804.

3. Встановлено, що ізоморфна заміна у підгратці катіонів кристалів КгБОд, Ьіі)23 04, (МН4)2304 приводить до зміни температурного і спектрального положення та протяжності області ізотропного стану цих кристалів, а величина і знак змін визначаються хімічною природою та процентним вмістом катіонів, що вводяться в основну матрицю.

4. Досліджено вплив одновісних механічних тисків на двопроменезаломлення кристалів ЬіК804. (ЫН4)2Вер4, ШэЫН45 04 і КгСа(804)2 НгО; встановлено, що Лп, достатньо чутливе до одновісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей: показано, що одновісний механічний тиск уздовж взаємноперпендикулярних кристалофізичних осей о).т приводить до різних за знаком і величиною змін Дпі (і,], т = 1, 2, 3);

5. Встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичних осей приводить до зміщення точок фазових переходів у сторону високих або низьких температур; баричні зміщення температур ФП пов'язують з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру: аг сприяють обертанню тетраедрів ВеР4г' чи БО)2 і підвищують температуру ФП, тиски оу і а< гальмують такі рухи і тим самим понижують температуру ФП; за характером баричних зміщень точки ФП в кристалі КЬКН4Б04 передбачено поворот тетраедра Б042 навколо кристалофізичної осі У.

6. Виявлено зникнення несумірної фази в кристалах LiKSO-i та (NH^BeFj при дії тисків сг2.

7. Досліджено спектральні (300-700 нм) і температурні (77-300 К) зміни комбінованих і абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNHiSOj, LiKSOj, (NHj)zBeF4 і KiCafSOj); НгО. Встановлено, ідо в точці інверсії знака Дпі підвищується симетрія тензора п'єзооптичних констант або зменшується його анізотропія.

8. Показано, що для кристалів LiKSOj, (NHj^BeFj сумарний п'єзооптичний ефект у несумірній фазі визначається "істинним" п'єзооптичним ефектом і вторинними вкладами від параметрів порядку dAnk/d(<op2) і спонтанної деформації dAni/dx5. Розраховано коефіцієнти матриць абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNH<S04 і (NH4)2BeF4.

9. Досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки інверсії знака двопроменезаломлення кристалів L1KSO4, (NH^iRcFi KiCa(S04)rH20 і RbNH4S04, побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми їх одновісного стану. Запропоновано новий матеріал (RbNH4SC>4) для вимірювання температури за інверсією знака двопроменезаломлення в діапазоні 150-500 К.

10. Запропоновано пристрій для вимірювання одновісних тисків на основі баричної залежності інверсії знака двопроменезаломлення кристала (NHi^BeFi.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стадник В.И., Романюк H.A., Брезвин P.C., Курляк В.Ю. RbNH4S04- новый кристалл с инверсией двупреломлении //От. и спектр.-1994.-Т.77, jNs5.-C.830-832.

2. М.О.Ромашок, В.Й.Стадник, Р.С.Брезвін. Вплив тиску на оптичні властивості кристалів LiKS04 /ГУкр. фіз. журнал,- 1995. -Т.40, №10.-С.1068-1070.

3. Стадник В.И., Романюк H.A., Брезвин P.C. Пьезооптические константы кристаллов LiKS04 в несоразмерной фазе //Опт. н спектр.-1995.-Т.79, №6.-С.714-717.

4. Романюк H.A., Стадник В.И., Брезвин P.C., Кардаш В.И. Инверсия двупреломления в кристаллах RbNH4S04 и RbKSÜ4 //Кристаллография.г1996.-Т.41. №5.-С.882-886.

5. Стадник В.И., Романюк H.A., Брезвин P.C., Курляк В.Ю. Механически индуцированные изменения двупреломляющих свойств кристаллов (NH4);BeF4 //Опт. и спектр.-)996.-Т.81, №4.-С.667-669.

5. Romanjuk М.О., Stadnyk V.Y., Brezvin R.S. Optical-electron parametrs of RbNHiSOi crystals//Ferroelectrics.-1997.-V. 192, №i-4..p,203-207. ,

7. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С. Новый оптический способ измерения давления с использованием инверсии двупреломления кристалла (NH-i)>BeFi /УЖПС.-I997.-T.64, №3.-С.426-429.

8. Романюк М.О., Стадник В.Й., Брезвін Р.С. Деформація оптичної індикатриси (NH-ihBeF-t під дією одновісного тиску //Укр. фіз.журнал.-1997.-Т.42, №3.-С.334-337.

9. Stadnyk V.Y., Brezvin R.S., Romatijuk М.О. Optical method of pressure measurements using the birefringence inversion //Functional materials.-1997.-V.4, №l.-P.97-99,

10.Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Кардаш В.И. Механически индуцированное изменение двупреломления кристаллов LiKSOj //Кристаллография.-1997.-Т.42, №4,-С.720-722.

11. Андрієвський Б.В., Брезвін Р.С., Романюк Г.М. Баричні зміни оптичної індикатриси кристалів K2Ca(S04)2 Н2О у районі інверсії знака двопроменезаломлення //Укр. фіз. журнал.-2000.-Т.45, №6.-С.701-704.

Брезвін Р.С. Вплив одновїсиих тисків на рефракційні властивості кристалів групи А2ВХ4 з інверсією знака двопроменезаломлення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01. 04. 05 - оптика, лазерна фізика - Інститут фізичної оптики Міністерства освіти і науки України, Львів, 2000.

Захищається 21 наукова робота, у яких представлені температурні (77-800 К), спектральні (300-850 нм) та баричні залежності показників заломлення, двопроменезаломлення та інверсії знака двопроменезаломлення кристалів LiKS04, (NH^BeFi, RbNH4S04, RbKS04 і K2Ca(S04)a H20.

Виявлено нові точки ІЗД та нові фазові переходи, баричне витіснення несумірної фази, баричне зміщення точки інверсії знака двопроменезаломлення та досліджено баричні залежності точок фазових переходів.

Розраховано параметри формули Зельмейєра, електронну поляризовність, питомі рефракції та їх залежності від заміщень у підгратці катіонів та аніонів.

Запропоновано матеріал для кристалооптичного датчика температури та метод для вимірювання тиску на базі інверсії знака двопроменезаломлення.

Ключові слова: показники заломлення, двопроменезаломлення, п'єзооптичні

константи, фазові переходи, інверсія знака двопроменезаломлення, несумірна фаза, одновісні механічні тиски, баричні зміщення.

Брезвин Р.С. Влияние одноосных напряжений на рефракционные свойства кристаллов группы АгВХ<с инверсией знака двупреломления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Институт физической оптики Министерства образования и науки Украины. Львов, 2000.

Защищается 21 научная работа, в которых представлены температурные (77-800 К), спектральные (300-850 нм) и барические зависимости показателей преломления, двупреломления и инверсии знака двупреломления кристаллов LiKSOi, (NH^BeFt, RbNHjSOj, RbKS04 и K2Ca(SO.,)2 ШО.

Обнаружено новые фазовые переходы, барическое вытеснение несоразмерной фазы, барическое смещение точки инверсии знака двупреломления та исследовано барические зависимости фазовых переходов.

Рассчитано параметры формулы Зельмейера, электронную поляризуемость, удельные рефракции и их зависимость от замещения в подрешетке катионов и анионов.

Предложено материал для кристаллооптического датчика температуры и метод для измерения напряжений на базе инверсии знака двупреломления.

Ключевые слова: показатель преломления, двупреломление. пьезооптические

константы, фазовые переходы, инверсия знака двупреломления, несоразмерная фаза, одноосные механические напряжения, барическое смещение.

Brezvin R.S. The influence of uniaxial pressures on the refractional properties of Л2ВХ4 group crystals with birefringence sign inversion.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Institute for Physical Optics of Ministry of education and science of Ukraine, Lviv, 2000.

21 scientific works are defended, in which the results of growth and investigations of thermal (77-820 K) and spectral (300-800 nm) dependencies of refractive indices and birefringence for RbNHiSOi and RbKSOi crystals, the influence of uniaxial mechanical pressures along the main crystall'ophysical axes on the birefringence properties, spectral and thermal changes of combined and absolute piezooptical constants for LiKSOi, RbNH4S04, (NH4>2BeF4 and КгС.а^Оф НгО crystals are presented. :

It is ascertained that in the spectral region 300-800 nm the dispersion of refractive indices л,(Л) for RbNH-iSOj and RbKSOi crystals is normal (i=X,Y,Z) and described well by two-oscillator Zellmeer's formula. On the basis of experimental dependencies n,(X) the electron polarizability a, and specific refraction Ri for these crystals are calculated, as well as effective parameters of Zellmeier's formula. In the work the changes of refractive index, electron

. . 16 . .. polarizability. and specific refraction for A2BX4 crystals at cationic and anionic substitutions are analysed. The isotropic point and second-order phase transition at T=120 K in RbNH4S04 crystals, as well as three isotropic points and two first-order phase transitions (T=116 K and T=820 K) in RbKSQ) crystals are founded.

It is ascertained that uniaxial mechanical pressure along the main crystallophysical axes Ojm leads to different by sign and value changes of birefringence An* (i, j, m = I, 2, 3) and to the displacement of phase transition points to the side of high or low temperatures. It is shown that uniaxial pressures c* and ay lead to the expansion of IP and to the displacement of temperature region of its existence to the side of lower temperatures. The uniaxial pressure az leads to the constriction of IP. The “triple” point at the influence of pressures az was found in LiKSO« and (NH4)2BeF4 crystals. The baric displacements of the IP temperatures are connected with the influence of uniaxial pressures on the crystal structure: az subserve the turning of BeFi2 or S(V~ tetrahedrons and increase the temperature of IP, while the ay and ax pressures brake the turning of tetrahedrons and in this way decrease the IP temperature. The turn of SO42' tetrahedron around crystallophysical Y-axis in XY-plane was foreseen by the character of baric displacements of the phase transition’s point in RbNH4S04 crystal.

For LiKSC>4, (NH4)2BeF4 crystals the total piezooptical effect in incommensurate phase is defined by “true” piezooptical effect and secondary deposits of the order parameter dAnk/d(fflp2) and spontaneous deformation dAnk/dxs. It is shown that the anisotropy of piezooptical constants’ tensor decreases in the point of the birefringence sign inversion. The matrices of absolute piezooptical constants are calculated for the RbNH4S04 and (NH4)2BeF4 crystals.

The influence of uniaxial mechanical pressure on the behaviour of the birefringence sign inversion point for LiKS04, (NH4)2BeF4, RbNH4S04 and K2Ca(S04)2 H2O crystals is investigated. The temperatute-spectral-baric diagrams of the birefringence sign inversion point for these crystals are built. The RbNH4S04 crystal is proposed as the material for the temperature transducer in the 150-500 K region; the method and material for uniaxial pressures measurements in 0-330 bar region also are proposed ( (NH4)2BeF4 crystal).

Key words: refractive index, birefringence, piezooptical constants, phase transitions, birefringence sign inversion, incommensurate phase, uniaxial mechanical pressures, baric displacement. .