CC BY
77
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН __________________________________2008, том 51, №11_____________________________
ФИЗИКА
УДК 535.36
Член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов, М.Умаров, К.С.Козиев, Н.Н.Раупов, А.К.Ходжибаев КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕШАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ГАЛОГЕНИДОВ ТАЛЛИЯ
Смешанные кристаллы галогенидов таллия (ТШгх^ _ х), представляющие собой устойчивые твердые растворы, обладают высокой акустической добротностью и благодаря совокупности физических свойств и перспективным материалам нашли применение в ряде аку-стооптических и твердотельных электронных устройств [ 1 ]. Они обладают пространственной решеткой типа СбС1 с симметрией Рт3т. Имеют кубическую структуру и центр инверсии, поэтому оптические фундаментальные колебания делятся на четные, активные в спектрах комбинационного рассеяния, и нечетные, активные в инфракрасных спектрах. В чистых кристаллах Т1Вг и Т11 спектры КРС первого порядка запрещены, однако они имеют довольно интенсивные спектры второго порядка, которые были исследованы в работе [2].
Настоящая работа посвящена изучению спектров комбинационного рассеяния света (КРС) и поглощения звука на частотах 100-800 МГц твердых растворов Т1ВгД1 _ х во всем диапазоне концентраций с целью выявления особенностей фононной плотности состояний и вклада фонон-фононных взаимодействий в поглощение звука твердых растворов по отношению к чистым кристаллам галогенидов таллия.
Материалы и методы исследований
Твердые растворы Т1Вгх11 _ х были выращены методом Стокбергера. Исследуемые образцы с концентрациями х = 0.20, 0.30, 0.42 и 0.80 имели форму параллелепипедов с размерами 5^6x12 мм . Спектры КРС исследовались при температурах 300 и 80 К в 90-градусной геометрии рассеяния с использованием линии 5145 А мощностью 2 Вт аргонового лазера «ИЛА-120» и двойного монохроматора ДФС-24 на установке, описанной в [3]. Для получения полной картины по динамике фононных спектров нами были проведены также измерения скорости и поглощения звука в смешанных кристаллах Т1Вгх11 _ х . Затухание упругих волн измерялось методом брэгговской дифракции света на ультразвуковой волне [3] при комнатной температуре в диапазоне частот 100-800 МГц. На рис.1 показана блок-схема экспериментальной установки акустооптического метода определения качества кристаллов. Погрешность измерений скорости звука не превышала 0.3%, коэффициента поглощения - 5%.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки акустооптический метод определения
качества кристаллов.
1 - образец; 2 - звукопроводы; 3 - пьезопреобразователь; 4 - усилитель мощности; 5 - модулятор; 6 -генератор непрерывных колебаний; 7,8 - генераторы импульсов; 9 - частотометр; 10 - приемник; 11 -
осциллограф; 12 - лазер;13 - фотоумножитель.
Рис.2. Спектры КРС смешанных кристаллов 1'ШгДі _ х при Т = 300 К.1 -х = 1.00, 2 - х = 0.80, 3 - х = 0.42, 4 -
х = 0.30, 5 - х = 0.20,
6 —> х = 0.00 (—> - у5 = 12,9 см4 ; -у6= 19,8см1).
Результаты и их обсуждение
Спектры КРС смешанных кристаллов при температуре 300 К показаны на рис.2. В спектрах КРС чистых кристаллов проявляются пять зон с максимумами при 35 см-1, 47 см-1, 75 см-1, 116 см-1, 230 см_ 1 для ТШг, и 37 см-1, 62 см-1, 98 см-1, 171 см-1 и 250 см-1 для ТИ. Спектры КРС чистых кристаллов не проявляют зависимости от поляризационной геометрии [4]. Как видно из колебательных спектров КРС (см. рис.2), наблюдаются изменения частот, полуширин и интенсивностей всех широких максимумов. Кроме того, в области низких частот обнаруживаются две дополнительные линии У5 = 12.9 см-1 и Уб = 19.8см-1, значения частот которых с концентрацией не меняются. Линия Уб полностью поляризована, и она, по-видимому, связана с неупорядоченностью кристаллической решетки в Т1 (Бг, I). Именно эта линия является наиболее чувствительной к изменениям концентрации брома фг) или
йода (I) в структуре этого кристалла. Максимум на частоте 19.8 см-1, как показывают расчеты [5] на основе оболочечной модели по данным рассеяния медленных нейтронов в Т1Вг, соответствует особенности плотности однофононных состояний в этом кристалле. Возможность наблюдения в спектрах КРС особенностей однофононных плотностей состояний акустических фононов связана с нарушением правил отбора по импульсу в неупорядоченных средах. Следуя результатам работы [5], можно было бы отнести наблюдаемые интенсивные максимумы VI = 47 см-1 в Т1Вг и VI = 72 см"1 в Т11 к зонам поперечных оптических колебаний, а максимумы на частотах Узьо =116 см-1 в Т1Вг и Узьо =173 см-1 в Т11 к зонам продольных оптических колебаний чистых кристаллов. Однако зависимости интегральных стей этих максимумов от температуры показывают, что они не могут быть отнесены к линиям первого порядка: с уменьшением температуры интенсивность всех этих линий резко уменьшается. Следовательно, их появление в спектре связано с более сложными многофо-нонными процессами, возможно, с участием низкочастотных акустических фононов.
Затухание измерялось, как уже выше отмечалось, акустооптическим методом (брэгговское рассеяние) по зависимости интенсивности света, рассеянного на упругих волнах, от расстояния до пьезопреобразователя.
Поскольку интенсивность рассеянного света пропорциональна интенсивности упругой волны, то коэффициент затухания упругих волн определяется из измерений интенсивности рассеянного света в различных точках вдоль направления распространения упругой волны по формуле [5]:
101 I,
ос = —(1) М /2
где 1\ и /2 - интенсивность рассеянного света в точках 1 и 2, Д7 - время, за которое упругая волна проходит расстояние между этими точками.
На рис.3 представлено изменение затухания поперечных упругих волн вдоль длины образца в смешанных кристаллах ТШгх^ - х при частоте 480 МГц. Как видно из этого рисунка, затухание слабо изменяется вдоль длины образца (что свидетельствует об однородности состава образцов по длине) и сильно зависит от химического состава твердых растворов. Поскольку измерения проводятся при комнатных температурах, а оптические фононные ветви в Т1Вг, согласно [5], имеют слабую дисперсию и малые частоты ~40 см-1, можно предположить, что в исследуемых кристаллах поглощение звука будет определяться взаимодействиями с дефектами, с акустическими и с оптическими фононами. В этом случае наиболее приемлемым для описания затухания упругой волны будет механизм, предложенный Гуляевым и Козорезовым в [6]. При этом поглощение звука определяется соотношением [6]:
1 07 „2_ /„.2\
з, ,ч
2рУ8{ф
(2)
где С,, и р - удельная теплоемкость и плотность кристалла, - скорость волны с поляризацией j - и волновым вектором с/, у8 - комбинация констант Грюнайзена для взаимодействующих фононов, ю§ - звуковая частота, Т1 - время релаксации первой гармоники возмущенной функции распределения фононов.
Ш
я
10 л л х=1.00
- и р и
8 - о л Л о фХ=0.80
и Л 0 0 0 8 ■ О- а х=0.00
- \А~ У -о —о
6 - Л л х=0.20 О
О й В 0 и _Г1_ 8
□ 0
- п л
€Г~ 0 0 О “О х-0.30
4 ( I I I 1 1 1 1 I
) 2 4 6 8
Длина образца, мм
Рис.3. Изменения затухания поперечных упругих волн вдоль длины образца в смешанных кристаллах
ТШгД! _ х при частоте 480 МГц.
Для учета влияния фонон-фононных и фонон-примесных взаимодействий на поглощение звука (оценки величины т = т0 + т/) мы построили зависимость полуширины линии 19.8 см-1 от концентрации примесей. Для более точного воспроизведения функции затухания в однофононном спектре необходимо воспользоваться процедурой, разработанной А.А.Аникьевым с соавт. [7]. В этом случае реальный спектр примесного кристалла может быть использован для восстановления плотности однофононных состояний чистого кристалла. Используя формулу (1), экспериментальные значения затухания, скорости и литературные данные по теплопроводности и плотности [8], можно определить величину эффективной константы фонон-фононного взаимодействия у8, описывающей затухание упругих волн (см. формулу 2). Оценки показывают, что для продольных упругих волн при комнатной температуре константа у8, составляет величину от 1 до 10 в зависимости от кристалла, типа и направления распространения упругих волн [9].
Рис. 4. Зависимость интенсивности I линии 19,8 см 1 и коэффициента поглощения звука а// 2 от концентрации х в смешанных кристаллах ТШгД! _ х.
На рис. 4 приведены зависимости интенсивности / дополнительной линии Уб и коэффициента поглощения звука а//-2 от концентрации х для смешанных кристаллов ТИЗгЛ] х [9]. При этом зависимость интенсивности дополнительной линии Уб нормирована на максимальную интенсивность одномодовой линии VI, интенсивность которой в спектрах КРС слабо зависит от состава кристалла. Измерения скорости 3 и поглощения а ультразвуковых волн (УЗВ) производились на частотах /от 100 до 800 МГц при комнатной температуре методом брэгговской дифракции света. Как видно из рис. 4, зависимость коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн от концентрации х имеет сходную форму с зависимостью I \х), с экстремумом в области х = 0.30. Такая корреляция результатов подтверждает
высказанное предположение о имеющем место разупорядочении в структуре исследованных кристаллов Т1Бгх11 _ х. Кроме того, этот факт свидетельствует о значительном уменьшении времени неупругой фононной релаксации в кристаллах смешанного состава, в соответствии с моделью
Таким образом, исследования спектров КРС и поглощение звука в чистых кристаллах Т1Бг, Т11 и твердых растворах на их основе Т1Бгх11 _ х показывают, что спектры КРС твердых растворов содержат дополнительные линии, происхождение которых связано с особенностями плотности фононных состояний и вызвано как локальным нарушением симметрии исходных решеток, так и случайным распределением атомов галогенов по решетке. Показано, что поглощение звука в соединениях Т1Вго.з1о.7 обусловлено процессами рассеяния на акустических и оптических фононах. На основе экспериментальных значений затухания и скорости
УЗВ и литературных данных по теплопроводности и плотности, оценена величина эффективной константы фонон-фононного взаимодействия, описывающей затухание упругих волн. Предложенный способ определения концентрации примесей в смешанных кристаллах позволяет на основе изменения величины интенсивности рассеянного света и поглощения звука определить концентрацию примесей в смешанных кристаллах.
Худжандский государственный университет Поступило 23.11.2007 г.
им. акад. Б.Гафурова,
*Худжандский научный центр АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Korpel A. - Academic Press Inc., U.S., 1996, 360 р.
2. Lowndes R.P., Perry C.U. - J. Chem. Phys., 1973, v.55, №1, р. 271-278.
3. Раупов Н.Н. Исследование влияния дефектов структуры пьезоэлектрических кристаллов на спектры комбинационного рассеяния света. Автореф...канд.дисс. - Красноярск, 2006, 17 с.
4. Умаров М., Раупов Н.Н. - Материалы 9-го международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов». - Ростов-на-Дону: ОДРО, 2006, с.172-175.
5. Cowley E.R., Okazaki A. - Proc. Royal Soc. (London), 1967, v.300, no 1460, р. 45-59.
6. Гуляев Ю.В., Козорезов А.Г. - Журнал эксп. и теор. физики, 1982, т. 82, № 5, с. 1551-1561.
7. Аникьев А.А., Горелик В.С., Умаров Б.С. - Препринт Физического ин-та АН СССР. - М., 1982, №248, 16 с.
8. Шаскольская М.П. Акустические кристаллы.- М.: Наука, 1980, 528 с.
9. Каримов С.Н., Умаров М., Раупов Н.Н. - Сб. мат. межд. конф. по «Современным проблемам физико-механических свойств конденсированных сред». Худжанд, 20 - 22 мая 2002, с.78 - 82.
С.Н.Каримов, М.Умаров, К.С.Козиев, Н.Н.Раупов, А.К.Хочибоев СПЕКТРХ,ОИ ЛАППИШ ВА ХОСИЯТ^ОИ АКУСТИКИИ КРИСТАЛЛ^ОИ ОМЕХТАИ ГАЛОГЕНИДИ ТАЛЛИЙ
Дар асоси спектрх,ои пароканиши комбинатсионии рушнои ва тагирёбии коэф-фисиенти фурубарии садо, консентратсияи элементхои таллий ва бромро дар кристалл-хои омехтаи галогениди таллий муайян карда шуд.
S.N.Karimov, M.Umarov, K.S.Koziev, N.N.Raupov, A.K.Hodjibaev VIBRATIONAL SPECTRA AND ACOUSTIQ PROPERTIES OF THE MIXED CRYSTALS HALOGENURES THALLIUM
On the basis of spectra of Raman scattering and change factor absorption of a sound are certain concentration of elements of thallium and bromine in mixed crystals halogenated thallium.
