Введение к работе
Актуальность темы. Физика фононов является одним из основных разделов физики твердого тела. Все свойства конденсированных сред связаны со свойствами фононной системы. Взаимодействие фононов с фононами и другими квазичастицачи ведет к возникновению многих интересных явлений (сверхпроводимость, фазовые переходы и др.). Исследования фононной системы дают возможность получить важную физическую информацию о свойствах
Весьма информативными для изучения фононной системы
являются акустические метода, использование которых позволяет
исследовать искусственно введенные в образец фононы. В
"классических" акустических экспериментах для возбуждения и
Детектирования фононов обычно применяются магнитострикционныв и
пьезоэлектрические преобразователи. При использовании
преобразователей такого типа возможно изучение фононов только
низкочастотной части спектра: частотой лишь до 10 Гц, в то
время как предельная частота акустических фононов в твердых
телах около 10 Гц, поэтому вполне естествен интерес
исследователей к методам, позволяющим инжектировать в образцы высокочастотные фононы с частотами Ю1 -10 Гц.
Начиная с 70-х годов, в физике тзердого тела стало формироваться новое направление - физика неравновесных фононоз (фононов больших энергий), которое объединило экспериментальные метода, позволяющие создавать и детектировать в исследуемых образцах акустические фононы с частотами І0ІІ-І013 Гц. Одним из них является метод тепловых импульсов [I*], с помощью которого исследовались механизмы рассеяния высокочастотных фононов в твердых »телах: наблюдалось рэлеевское рассеяние фононов на незаряженных примесях [2*], комбинационное взаимодействие фононов с двухуровневыми системами 13*1, неупругое рассеяние фононов на носителях в полупроводниках [4*1. Б основном такие эксперименты проводятся при температурах жидкого гелия.
Традиционно акустические методы исполь?уются для изучения фазовых переходе; п тьирднх толах, т.к. вблизи переходоь
происходят процессы, приводящие к изменению свойств фояонной системы, что проявляется в изменении ' скорости и поглощения звука. Большое количество работ посвящено исследованию сегнетоэлектрических переходов [5*].
Среди сегнетоэлектрических кристаллов выделяется отдельный
класе виртуальных сегнетоэлвктриков. В области низких температур
свойства виртуального сегнетоэлектрика аналогичны свойствам
обычного сегнетоэлектрика в парафазе вблизи
сегнетоэлектрического перехода. К указанному классу виртуальных сегнетоэлектриков, в числе других, относятся танталат калия (КТа03) и титанат стронция (SrTi03) [5*].
Если низкотемпературные свойства танталата калия достаточно подробно изучались акустическими методами 16*], то в титанате стронция применение традиционных акустических методик при низкой температуре затруднено из-за наличия в этом материале несегнетоэлектрической доменной структуры, которая приводит к сильному рассеянию ультразвука, поэтому в основном исследовался структурный фазовый переход при Т = 105 К.
Несмотря на большое количество экспериментальных данных о свойствах КТа03 и SrTlOg, полученных различными методами, созданные на их основе теоретические модели не могут объяснить необычные свойства этих материалов в области низких температур. С этой точки зрения требуются дополнительные исследования фоноішой системы SrTlOg и КТаСд при низких температурах, в том числе новыми экспериментальными методами.
Область гелиевых температур - такая важная в физике виртуальных сегнетоэлектриков - очень удобна для изучения фононной системы методом тепловых импульсов. Использование этого метода может привести к. получению новых данных о свойствах фононов, так как виртуальные сегнетоелектрики с помощью указанного метода вообще не исследовались.
Поскольку свойства виртуальных сегнетоэлектриков
недостаточно изучены вблизи фазового перехода (в области низких температур) и отсутствует окончательная теоретическая интерпретация их свойств, тема диссертационной работы "Распространение неравновесных фононов е виртуальных
- 5'-
сегнетоэлэктриках" является актуальной.
Для создания неравновесных фононов использовался метод тепловых импульсов [I ]. Цель работы:
1. Изучение рекима распространения высокочастотных фононов в
виртуальных сегнетоэлектриках КТа03 и SrTlOg для оітредолвішя
механизма рассеяния фононов в указанных кристаллах.
2. Изучение влияния электрического поля на распространение
высокочастотных фононов в виртуальных сегнетоэлектриках KTaO~ и
S^TtO-a Д»"Я СПР~Д2."01П1Л i.'.uiiiiiiwmu bwb,uo«ioifa»in д.іїгіКтііИумііктЧ'" imna
на тепловые свойства итых кристаллов при низких температурах.
3. Изучение влияния легирования литием на распространение
высокочастотных фононов в виртуальном сегнетоэлектрике КТар3.
Научная новизна. В настоящей работе:
1. Впервые методика тепловых импульсов применялась для изучения
гвойств фононной системы в виртуальных сегнетоэлектриках (и
вообще в сегнетоэлектриках).
2. Впервые изучалось влияние электрического поля на
распространение неравновесных фононов в виртуальных
:егнетоэлектриках вблизи фазового перехода.
3. Проведены расчеты, позволяющие учесть влияние размеров
інжектора и детектора фононов на сигнал детектора в режиме
іиффузионного распространения фононов.
\. Создана теоретическая модель, объясняющая совокупность жспериментальннх данных об изменении тепловых свойств шртуальных сегнетоэлектриков во внешнем электрическом поло при шзких температурах.
Научно-практическая цэнность: . Создана экспериментальная установка дад изучения свойств 'вердых тел методом тепловых импульсов.
:. Создана автоматизированная система сбора и накопления ксперимэнтальных данных, позволяющая производить измерения ериодически повторяющихся сигналов длительностью І МКС-10 мс. . Предложена методика учета влияния размеров инжектора и етектора фононов на сигнал детектора в режиме диффузионного аспространения фононов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Распространение слабонеравновесных фононов в виртуальных
оегнетоэлектриках КТа03 и SrTlOg при температурах 1,7-3,8 К
происходит в диффузионном режиме.
-
. При обработке экспериментальных данных по диффузионному распространению фононов необходимо учитывать влияние размеров инжектора и детектора фононов на сигнал детектора.
-
В виртуальных оегнетоэлектриках КТа03 и SrTlOg во внешнем электрическом поле при температурах 1,7-3,4 К происходит увеличение температуропроводности, что проявляется в уменьшении времени распространения неравновесных фононов через образец и в увеличении амплитуды сигнала детектора.
4. Влияние электрического поля на распространение
слабонеравновесных фононов в виртуальных оегнетоэлектриках КТаСЦ
и SrTlOg, а также влияние электрического поля на
теплопроводность и теплоемкость указанных материалов при низких
температурах объясняется увеличением жесткости кристаллической
решетки, а но свойствами оптических фононов мягкой моды.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором на XV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Ленинград, 1991 г.), на XVI Всероссийской конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Сыктывкар 1994 г.), на XXIX и XXX Совещаниях по физике низких температур (Казань 1992 г., Дубна 1994 г.), на Международной конференции - 8 International Meeting Feiroelectrlclty (Galthersburg, USA, 1993 г.) и на научнкх семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.
Публикации. Основные результаты исследования изложены в 10 печатных работах, включая доклады и тезисы конференций. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы, содержит 124 страницы машинописного текста, включая 41 рисунок и 5 таблиц. Библиография содержит 84 наименования.
