І Куриця, В Біганич - Вплив гідростатичного тиску на діелектричні та оптичні властивості кристалів sn 95zn 052p2s6 фазова р г-діаграма - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія фізична. 2008. Вип.41. С.3-9

VISNYKLVIV UNIV. Ser.Physic. 2008. № 41. P.3-9

УДК 538.956, 538.958 PACS number(s): 81.30.Dz

ВПЛИВ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ НА ДІЕЛЕКТРИЧНІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ (sn^95Zn<^05)2P2S6. ФАЗОВА р, Г-ДІАГРАМА

І. Куриця, В. Біганич

Ужгородський національна університет кафедра оптики вул. А.Волошина, 52, 88000 Ужгород, Україна

На підставі досліджень температурної та баричної залежності енергетичного положення краю фундаментального поглинання світла та температурних залежностей діелектричної проникності в околі фазових переходів сегнетоелектричних кристалів (Sn0 95Zn0 05)2P2S6 уперше побудовано їх фазову p,T- діаграму.

Ключові слова: край поглинання, фазовий перехід, точка Лівшиця, гідростатичний тиск.

З метою отримання нових перспективних напівпровідникових матеріалів сьогодні інтенсивно проводять дослідження фізико-хімічної взаємодії та вирощування кристалів у псевдобінарних системах Sn2P2S6 -Ме2Р286 (Me-Zn, Cd, Fe, Mn, Ni), які поєднують у собі напівпровідникові та сегнетоелектричні властивості, мають високі піро-, п'єзо- та електрооптичні характеристики, що робить їх перспективними для практичного використання. Залежно від кристалічної структури, сімейство цих сполук можна поділити на два класи: "тримірні", до яких належать кристали Sn2(Pb2)P2S6(Se)6, та "двомірні", або шаруваті, до яких належать Od2(Ni2,Zn2,Fe2,Mn2)P2S6. Якщо фізичні властивості „тримірних" кристалів вивчені досить добре [1, 2], то дослідження „двомірних" структур є на початковому етапі. Зокрема, відомостей про фізичні властивості кристалів (8п^п1-х)2Р286 практично немає. Попередні фізико- хімічні дослідження [3] свідчать, що система (8п^п1-х)2Р286 належить до систем з евтектичною взаємодією між компонентами з утворенням обмежених твердих розчинів. Габітус твердих розчинів (8п^п1-х)2Р286 є не типовим для монокристалів типу Sn2P2S6, які одержують у формі пірамід. За даними рентгенофазового аналізу область існування твердого розчину ^п£п1-х)2Р^6 на основі Sn2P2S6 не перевищує 10%.

Інтерес до дослідження цих кристалів зумовлений також існуванням на фазових х,Т та р,Т-діаграмах точки Ліфшиця, що розділяє фазові переходи у співмірну та неспівмірну фази.

Метою цієї статті є: за допомогою досліджень температурних і баричних залежностей краю фундаментального поглинання світла (КП) та діелектричної проникності побудувати фазову р, Т-діаграму кристалів (Sn0 95Zn0 05)2P2S6.

© Куриця І., Біганич В., 2008

Досліджено кристали (Sn0 95Zn005)2P2S6, вирощені методом хімічних транспортних реакцій. Щоб виміряти пропускання, виготовляли пластинки з розмірами 2х1 х0,2 мм, що мали природні грані. Зразки якісно полірувалися і закріплювалися на діафрагмі осьового вікна оптичної камери високого тиску. Коефіцієнт поглинання а розраховували із даних по пропусканню, враховуючи відбивання. Спектральне розділення становило 0,01 еВ. Баричні залежності КП досліджували за допомогою трьохвіконної камери високого тиску в інтервалі тисків р=0,1-0,5 ГПа.

Електроємність і тангенс кута діелектричних втрат tg8 зразків безпосередньо вимірювали за допомогою моста змінного струму Е7-12 на частоті 1 МГц. Вимірювання діелектричних параметрів кристалів проводили на автоматизованій установці, в якій усі вимірювальні прилади були під' єднані до персонального компютера через інтерфейс каналу загального користування. На зразки наносили срібні контакти і мідні провідники завтовшки 0,08-0,12 мм.

Діелектричну проникність є кристалів визначали з результатів експериментальних вимірювань електроємності зразків і розраховували за формулою для плоского конденсатора

де d - товщина зразка, Cx - електроємність, Sx - площа електричних контактів, є0 - електрична стала.

На рис. 1, a, b показано температурні залежності діелектричної проникності є та тангенса кута діелектричних втрат tg 8 для кристалів (Sn095Zn0 05)2P2S6 одержані за атмосферного тиску. Температурну поведінку діелектричної проникності в параелектричній фазі добре описують законом Кюрі-Вейса із константою cw = 0,3 -105 K. Температурний гістерезис фазового переходу становить величину AT = 0,5K. Відношення нахилів температурних залежностей оберненої діелектричної проникності в сегнето- та параелектричній фазі

На рис. 1, с показано баричні залежності максимального значення діелектричної проникності єтах за температури фазового переходу. Як видно з рис. 1, с, величина Єщах   при тиску р ~ 0,1 ГПа має максимум. Схожу поведінку величини єтах

простежували раніше в околі точки Ліфшиця на фазовій р, Т - діаграмі кристалів Sn2P2(SxSe1-x)6 (0<х<28%) [2].

Зазначимо також, що наявність у кристалах (Sn0 95Zn005)2P2S6 аномалії тангенса кута діелектричних втрат у сегнетоелектричній фазі (див. рис. 1, b), що реалізується у вигляді максимуму за температури Т ~ 286 К. Ця аномалія характерна для більшості кристалів сім'ї Sn2P2S6 і пов'язана зі зміною доменної структури.

d

є= -

1000

c

Рис. 1. Температурні залежності є - а, tg 8 - b при атмосферному тиску та баричні залежності величини єтах - c для кристалів (Sn0 95Zn0 05)2P2S6

Важливу інформацію про найважливіші оптичні властивості та характер фазових переходів сегнетоелектрика-напівпровідника можна отримати із досліджень краю фундаментального поглинання світла.

У статті досліджено спектральні залежності КП за різних температур та гідростатичних тисків. Проаналізуємо температурну та баричну зміну енергетичного положення КП кристалів (Sn095Zn0 05)2P2S6 та його поведінку у фазових переходах, одержаних із цих досліджень. Як і слід було чекати, підвищення тиску та температури призводить до короткохвильового зміщення КП.

Показана на рис. 2 спектральна залежність коефіцієнта поглинання a(hv) в

напівлогарифмічному масштабі для кристалів (Sn095Zn005)2P2S6 за атмосферного тиску та різних температур, засвідчує, що простежено експоненційний ріст коефіцієнта поглинання зі збільшенням енергії фотонів, причому нахил кривих lg а = f (hv) змінюється залежно від температури за правилом Урбаха:

а= а0 exp

де а о, Ео - константи конкретного кристала, Ео - має розмірність енергії, а її

величина відповідає порядку Eg; -У- = W - величина, що характеризує нахил краю

kT

поглинання його спектрального розмиття за температури Т.

28 24 20 16 12

8 4 0,045

0,040

0,035

0,030

/"XL

0,72

0,70

0,68

0,66

280 320

t k

///:&// ,//////

140 9 87654321

2,0 2,2 2,4 2,6

hv,eV 2,8 3,0 3,2

Рис. 2. Спектральні залежності логарифма коефіцієнта поглинання кристалів (Zn0 05Sn0 95)2P2S6 за різних температур Т, (K): 1 - 240; 2 - 251; 3 - 264; 4 -274;'5 - 285; 6 - 296; 7 - 300; 8 - 321; 9 - 331; 10 - 340; 11 - 362; 12 - 383; 13 - 401; 14 - 422. На вставці температурні залежності параметра W та су.

Як бачимо з рис. 2 в сегнето- і параелектричній фазі край поглинання описують правилом Урбаха з різними точками збіжності залежностей ln a(hv). Температурні залежності параметра o(T) і характерної енергії W показано на вставці до рис. 2. За температури фазового переходу на залежностях о(Г) та W(T)

D

240

360мають місце особливості аномального характеру, що виявляються у вигляді стрибків

> ч

а В)

ш

240 280 320 360 400

0,0 0,1

0,2 0,3

b

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

p,GPa

d

Рис. 3. Температурні та баричні залежності енергетичного положення КП Ega (а=100см-1) за різних значень тиску: а - р=ратм, b - р=0,38 ГПа та температур: с - Т=296 К, d - Г=244К

На рис. 3 зображено температурні та баричні залежності енергетичного положення КП досліджуваних кристалів. При тиску р=ратм та температури Т=297 К простежено злами на залежностях Eg (T) та Eg (p) (рис. 3, а, с) , що відповідають ФП 2-го роду. В параелектричній фазі температурна та барична

залежність Eg має лінійний характер з коефіцієнтами dT

= -7,8 •10-4 еВ/К та

—— = -0,074 еВ/ГПа . Для кристалів Sn2P2S6 відповідні коефіцієнти дорівнюють:

dp

= -5,83 •10-4 еВ/К та

• = -0,08 • еВ/ГПа .  У сегнетоелектричній фазі

dT ар залежності Eg (T) та Eg (p) є нелінійними. Якісно іншими є схожі залежності для кристалів (Sn0 95Zn005)2P2S6, одержані за р=0,38 ГПа та Т=244 К (див. рис. 3, с, d).

Поряд зі зламами —— та -, що реалізуються при температурі Ti та тиску рі і

dT dp

2,5

2,4

2,3

2,2

с

а

2,32

2,28

2,24

220

240

260

280відповідають ФП другого роду мають місце стрибки величин Eg (T) та Eg (p), що характеризують ФП першого роду при Tc та рс. Така трансформація залежностей Ea ) та Eg (p), очевидно, свідчить про розщеплення та зміну роду фазового

переходу. Подібна ситуація є у кристалах Sn2P2S6, в яких при гідростатичному тиску на фазовій р, 77-діаграмі індукується точка Ліфшиця, що розділяє фазові переходи у співмірну та неспівмірну фази [2]. Для кристалів Sn2P2S6 координати точки Ліфшиця pL=0,18 ГПа , T=295 K. Потрібно зазначити, що в досліджуваних кристалах (Sn095Zn0 05)2P2S6 у температурному інтервалі Tc<T<T залежність

dEg 4

Eg (T) має лінійний характер з коефіцієнтом ~~ = _13 -10   еВ/К . Це значення

dEg dEg 4

—— близьке до —— = -13,6 -10   еВ/К, що простежують у неспівмірній фазі

dT dT

кристала Sn2P2Se6 [2]. Цей експериментальний факт свідчить на користь того, що проміжна фаза у температурному інтервалі Tc<T<T є неспівмірною.

Рис. 4. Фазова р,Т-діаграма кристалів (Sn0 95Zn005)2P2S6. Порожні точки отримані за результатами температурних, повні - баричних залежностей Ega

Ми використали результати температурних та баричних досліджень КП побудовавши фазову р, 7—діаграму кристалів (Sn0 95Zn0 05)2P2S6, яку подано на рис. 4. З метою встановлення більш точних координат та типу полікритичної точки, що реалізується при р=0,10 ± 0,02 ГПа потрібні подальші експериментальні дослідження.

На підставі результатів дослідження впливу тиску і температури на КП та діелектричної проникності уперше побудовано фазову р, 77-діаграму кристалів (Sn095Zn0 05)2P2S6 і проаналізовано її особливості.

ВПЛИВ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ...

1. Высочанский Ю.М., Сливка В. Ю. Сегнетоэлектрики семейства Sn2P2S6. Свойства в окрестности точки Лифшица. Л., 1994. 264 с.

2. Slivka A. G., Gerzanich E. I., Guranich P. P., Shusta V. S. Phase p,T,x-diagram and peculiarities of physical properties of Sn2P2(SexS1-x)6 ferroelectric crystals near Lifshitz point // Ferroelectrics. 1990.Vol. 103.P. 71-82.

3. Товт В. В., Лукач П. М., Поторій М. В. та ін. Взаємодія в системі Sn2P2S6-Zn2P2S6 // Вісник Ужгорродсько нац-го ун-ту. Серія Хімія. 2002. Вип. 7.

С. 7-10.

INFLUENCE OF HYDROS TATICAL PRESSURE ON FERROELECTRIC AND OPTICAL PROPERTIES OF (Sno,95Zno,oS)2P2S6 CRYSTALS. PHASE р, Т-DiAgRAM

L Kuritsa, V. Biganich

Uzhgorod National University, optics department, Voloshin Str., 52, 88000 Uzhgorod, Ukraine

The fundamental optical absorption edge and dielectric permeability is measured and its temperature and pressure dependence in the vicinity of phase transitions in (Sn095Zn0 05)2P2S6 ferroelectric crystals. Based on these data, the (p,T) phase diagram of (Sn0,95Zn0,05)2P2S6 crystals is built.

Key words: edge absorption; phase transition; point Livshits; hydrostatical pressure.

Стаття надійшла до редколегії 17.05.2006 Прийнята до друку 09.06.2008

Страницы:
1 


Похожие статьи

І Куриця, В Біганич - Вплив гідростатичного тиску на діелектричні та оптичні властивості кристалів sn 95zn 052p2s6 фазова р г-діаграма