CC BY
29
Литература
1. Галкин, Н.Г., Маргулис, В.А., Шорохов, А.В. ФТТ, 43(3), 51 1(2001).
2. Гейлер, В.А., Маргулис, В.А., Томилин, О.Б. Письма в ЖЭТФ 63, 7, 549 (1996).
3. Гейлер, В.А., Маргулис, В.А., Шорохов, А.В. ЖЭТФ, 115, 4, 1450 (1999).
4. Дмитриев, И.А., Сурис, Р.А. ФТП 36, 12, 1449 (2002).
5. Курант, Р. Методы математической физики Т. 1 / Р. Курант, Д. Гильберт. М.: Техлитиздат, (1951). 69 с.
6. Чучаев, И.И., Маргулис, В.А., Шорохов, А.В., Холодова, С.Е. ФТТ 41, 5, 856 (1999).
7. Prinz, V.Ya., Seleznev, V.A., Samoylov, V.A., Gutakovsky, A.K. Microelectr. Eng. 30, 439 (1996).
8. Ovchinnicov, Yu,N., Legle, W., Schmid, A. Ann. Phys. 6, 489 (1997).
В.А. ФЕДОРИХИН, Б.А. СТРУКОВ, С.А. ТАРАСКИН,
И.В. ШНАЙДШТЕЙН, С.Т. ДАВИТАДЗЕ (Волгоград, Москва)
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ДОЗ ГАММА-ОБЛУЧЕНИЯ НА КРИТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ ТЕПЛОЕМКОСТИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ТРИГЛИЦИНСУЛЬФАТА И ЕГО ДЕЙТЕРИРОВАННОГО АНАЛОГА
(Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект 05-02- 16873-а)
Проблема прогнозирования поведения сегнетоэлектриков в зависимости от степени дефектности и их стойкости к радиационному облучению является актуальной и практически важной для радиационной физики конденсированного состояния. Весьма наглядную картину эффектов, обусловленных облучением, как-то: размытие фазового перехода, возникновение внутреннего смещающего поля, понижение Тс и т.п., дают прецизионные измерения теплоемкости, поскольку именно последняя позволяет определить зависимости общей избыточной энергии, изменение энтропии при фазовом переходе и коэффициенты разложения термодинамического потенциала Р - р, у и параметра трикритичности к от дозы облучения. Перспективным материалом для практических применений, в частности в качестве пироэлектрических датчиков ИК-излу-чения, являются кристаллы ДТГС, Тс которых превышает Т£ кристаллов ТГС на (5-10) К. При этом весьма важным параметром пиродатчика является его теплоемкость. Исследования зависимости С(Т) номинально чистых монокристаллов ДТГС с различным содержанием дейтерия были проведены в основном методами динамической калориметрии [1-5]. До настоящего времени не изучено влияние у- облучения на закономерности фазовых переходов кристаллов ДТГС методами прецизионной вакуумной адиабатической калориметрии.
Цель данной работы - детальное сопоставление зависимостей С (Т) номинально чистых и у - облученных малыми дозами монокристаллов ДТГС, полученных с помощью адиабатического вакуумного калориметра в широком температурном интервале от 80 К до 350 К.
1. Методика эксперимента
Образцы ДТГС были вырезаны из монокристалла, выращенного В.П. Константиновой в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН по следующей методике. Монокристаллы номинально чистого ТГС растворялись в тяжелой воде (020). Раствор для более полного дейтерирования кипятился, затем из него методом понижения температуры от 65 0 С до 50 0С выращивались монокристаллы массой до 100 г. Три образца были вырезаны из подобного монокристалла и отполированы абразивной бумагой до придания им формы цилиндров диаметром 0,8 см, высотой 1,2 см. При изготовлении образцы не ориентировались относительно кристаллографических осей. Для необлученного образца ДТГС значение Тся57,5 °С, что свидетельствует о степени
дейтерирования на уровне 80-85 %. Два других образца были подвергнуты диффузному у - облучению от источника 60Со, имеющего следующие основные параметры: мощность дозы облучения - 66 И/в, температура в канале - 25-30 °С. Первый образец получил дозу 0,012 МЛ, второй - 0,099 МЯ.
Измерение теплоемкости проводилось с помощью эталонированной вакуумной установки, состоящей из компьютера, низкотемпературного калориметра и системы сбора данных и управления АК- 6,25. Точность измерения теплоемкости в режиме нагрева в температурном интервале от 80 К до 350 К - не ниже 0,3 %. Интервалы нагрева составляли 0,5-1,0 К вдали от Тс и 0,01-0,02 К в окрестности Тс. Масса образцов — от
1,103 г до 1,159 г.
Температурные зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости кристаллов ДТГС, номинально чистых и у-облученных, получены на установке мостового типа [6] на частоте 1кНг при напряженности измерительного поля
0,4 У/ст с раздельным отсчетом по действительной (г') и мнимой составляющим с погрешностью порядка 1 % (г' ) и использованы для определения постоянной Кюри-Вейсса.
Для сравнения результатов измерений С (Т) номинально чистых и у-облученных кристаллов ДТГС и ТГС были использованы результаты соответствующих измерений номинально чистых и у-облученных кристаллов ТГС, выращенных в параэлектриче-ской фазе при температуре порядка 325 К [7].
2. Результаты эксперимента
На рис. 1 приведены температурные зависимости теплоемкости номинально чистых кристаллов ТГС и ДТГС в широком температурном интервале 200-380 К для ТГС и 80-350 К - для ДТГС. Сплошной линией показана решеточная теплоемкость (С)аГ), не связанная с фазовым переходом, а определяющаяся некритическими степенями свободы кристалла. Решеточная теплоемкость получена линейной аппроксимацией, хотя известно, что возможна и интерполяция экспериментальных данных дебаевской и эйнштейновской функциями [8].
Заметим, что С )а{ кристаллов ТГС и ДТГС практически совпадают для всей области линейной аппроксимации от 200 К до 380 К, в отличие от [1], где в параэлектри-ческой фазе обнаруживался ее аномально крутой наклон, т.е. существенно большее (по сравнению с ТГС) значение <ЗС)а( ,с1Т. Избыточная энергия фазовых переходов -Д(}=5,04 ]/% для ТГС и 5,61 }/& - для ДТГС. Изменение энтропии при фазовых переходах -А8=1,56-10"2 К для ТГС и 1,7- 10'2 1/ё-К-для ДТГС.
На рис. 2 приведены температурные ( Т -Т ) зависимости аномальной части теплоемкости (ДС=С - С|аГ), т.е. ДС(ДТ) кристаллов ТГС и ДТГС в окрестности Т£ Отметим такие основные особенности температурных зависимостей ДС:
- В выбранном температурном интервале теплоемкость кристалла ДТГС больше, чем ТГС (скачок теплоемкости в Тс ДС(Т£) составляет 0,29 .^'К и 0,40 ^'К для ТГС
и ДТГС соответственно).
- «Размытие» фазового перехода в ДТГС больше, чем в ТГС (ДТ в параэлектриче-ской фазе я0,02 К и «0,40 К для ТГС и ДТГС соответственно).
Указанные особенности качественно соответствуют результатам работ [1;5], количественное расхождение результатов измерений для кристалла ТГС объясняется использованием в [1;5] кристаллов ТГС более низкого качества [7]. Для кристалла ДТГС ДС(Тс) составляет 0,48 [1] и 0,41 ^-К [5]. Завышенное значение ДС(Тс) в [1],
вероятно, связано с обнаруженным только в этой работе аномально большим (по сравнению с ТГС) значением ^С]а{ Д1Т в параэлектрической фазе , повлиявшей на результат линейной аппроксимации С[аГ На рис. 3 приведены температурные зависимости (Т-Т ) аномальной части теплоемкости номинально чистых кристаллов ДТГС различной степени дейтерирования (47, 90 и 100%). Подчеркнем, что наши результаты
(при « 90% дейтерировании) коррелируют с данными работ [1;5], количественное различие ЛС(ЛТ) в сегнетоэлектрической фазе по сравнению с [1] было объяснено выше.
На рис. 4 приведены температурные зависимости аномальной части теплоемкости в окрестности Тс кристаллов ДТГС, чистого и у-облученных. Следует иметь в виду уже упомянутое большее «размытие» фазового перехода в ДТГС по сравнению с ТГС.
Выявленные особенности поведения зависимостей Д С(Т) аналогичны результатам [7], где исследовалось влияние малых (до 0,5 МЯ) доз у- облучения на зависимости С(Т) кристаллов ТГС, выращенных в параэлектрической фазе, а именно:
- смещение Тс в область низких температур;
- появление избыточной теплоемкости выше смещенной Тс;
- некоторое увеличение теплоемкости для дозы О = 0,099 МЯ в области сегнетоэлектрической фазы;
- увеличение «размытия» фазового перехода для дозы О = 0,099 МИ. в параэлектрической фазе.
Проанализируем полученные результаты в рамках феноменологической теории, предложенной Леванюком и др. в приближении невзаимодействующих дефектов 5-типа [9]
где п - концентрация дефектов; ё - радиус ядра дефекта; Р - значение параметра порядка в области локализации дефекта; а - величина коэффициента при Р2 в разложении термодинамического потенциала; Т£ - температура фазового перехода;
ния О = 0,099 МЯ на определенном участке можно выделить линейную зависимость ДС ( т"1 ) , позволяющую оценить концентрацию радиационно-индуцированных точечных дефектов п « 2-1019 сгп"3 (в кристалле ТГС, облученном дозой 0,1 МЯ, п « *3'1019 спТ3 [7]).
Следует отметить, что близкая к линейной зависимость величины смещения температуры фазового перехода, обусловленной малыми дозами у-облучения, наблюдается и в кристаллах ТГС и для кристаллов ДТГС . На рис. 6 приведены дозовые зависимости смещения Т£ (ДТС= ТС(Э = 0) - Тс(0 £=■ 0)) для у-облученных малыми дозами кристаллов ТГС и ДТГС.
с/Т
Для у-облученных малыми дозами кристаллов ТГС —— » 2,1К/ МЯ, тогда как для
Представляет значительный интерес продолжение изучения зависимостей С(Т) кристаллов ДТГС, облученных малыми, менее 0,5 МЯ, дозами.
Для номинально чистых и у-облученных малыми дозами кристаллов ТГС и ДТГС аналогично работам [ 10; 11] произведены оценки коэффициентов разложения термодинамического потенциала в ряд по четным степеням поляризации (таблица «Параметры фазовых переходов кристаллов ТГС и ДТГС»), Численные значения коэффициента а при Р получены из диэлектрических измерений [6].
Из таблицы следует, что увеличение дозы облучения в области малых доз обусловливает рост параметра трикритичности кристалла ТГС, свидетельствующий о «приближении» последнего в сторону фазового перехода второго рода. Для кристалла ДТГС для подобного вывода недостаточно экспериментальных данных.
-8
ся приближенными значениями размера дефекта ё » 5-10 сгп и параметра порядка в области локализации дефекта Р и ЗцС/сш2. Тогда, построив зависимость ДС (т1), можно оценить численное значение п.
- его обратная приведенная температура. Для численных оценок зададим-
На рис. 5 приведены зависимости ДС (х-1) кристаллов ДТГС, чистого и у-облучен-ных от обратной приведенной температуры (т*1). Видно, что только для дозы облуче-
сіВ
сІТ
дтгс —^-*1,8 к/т.
сіБ
Рис. 1. Температурные зависимости теплоемкости Рис. 2. Температурные ( Т-Т^) зависимости
кристаллов ТТС и ДТГС в широком темпера- аномаль-ной части теплоемкости кристаллов ТГС
турном интервале: 1 - ТГС, 2 - ДТГС и ДТГС в окрестности Т.: 1 - ТГС, 2 - ДТГС
Рис. 3. Температурные ( Т-Тс) зависимости Рис. 4. Температурные зависимости аномальной
аномальной части теплоемкости номинально части теплоемкости кристаллов ДТГС, чистого и
чистых кристаллов ДТГС различной степени гамма-облученных в окрестности Т. :1 - О МЯ, 2 -
дейтерирования в окрестности Т.: 1- 47% [4], 2- 0.012 МЯ, 3 - 0.099 МИ.
[1]. з
5-100% [3 ]
[5], 4-
наши результаты,
Рис. 5. Зависимости аномальной части тепло- Рис. 6. Дозовые зависимости смещения Т. гамма-
емкости кристаллов ДТГС, чистого и гамма-об- облученных кристаллов ТГС и ДТГС: 1 -*ГГС, 2 -
лученных от обратной приведенной температуры: ДТГС
1 - 0 МЯ, 2 - 0.012 МЯ, 3 - 0.099 МЯ
Параметры фазовых переходов кристаллов ТГС и ДТГС
КРИСТАЛЛ С a P Y Tc k AC A 0 AS ii
К 1/K m'/J m '7J2 К - J/g-K J/g J/g-K cm'1
TrC(OMR) 3300 1.90E-03 1.I9E-9 4,1 IE-17 322.18 1.42E-02 0.29 5.04 1.56E-02 * 1E+18
0.1 MR 3800 1.65E-03 0.95E-9 2.61E-17 321.94 1.6 IE-02 0.33 5.04 I.57E-02 3E+19
0.3 MR 3800 1.65E-03 1.02E-9 1.92E-17 321.54 2.56E-02 0.33 5.04 1.57E-02 1E+20
0.5 MR 3600 I.74E-03 1.18E-9 1.89E-I7 321.35 3.28E-02 0.25 5.04 1.57E-02 -
flTrC(OMR) 3000 2.09E-03 1.09E-9 6.71E-I7 330.68 0.65E-02 0.40 5.61 1.70E-02 -
0.012 MR 3400 I.84E-03 0.91E-9 3.05E-17 330.66 1.1 IE-02 0.38 5.61 1.70E-02 -
0.099 MR 3400 ] 84E-03 0.86E-9 5.20E-17 330.50 0.58E-02 0.40 5.61 1.70E-02 2E+I9
В таблице: С - постоянная Кюри - Вейсса; а - коэффициент при Р2, определенные из измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости (частота измерения - lk Hz, напряженность измерительного поля - 0,4 V/cm); р - коэффициент при Р4; у - коэффициент при Р6; Т - температура Кюри, определенная по максимальному значению теплоемкости; к - параметр
Въ
трикритичности (к =-------); ДС = (С-С.- скачок теплоемкости в Т ; AQ - избыточная теплота
4 ауТ с
фазового перехода; AS - изменение энтропии при фазовом переходе ; п - концентрация точечных дефектов, обусловленных у-облучением, в приближении невзаимодействующих дефектов S-типа;
* -значение, полученное при экстраполяции зависимости концентрации точечных дефектов (п) от дозы у- облучения (D) на величину D = 0 MR.
Итак, можно сделать следующие выводы:
1) Обнаружено качественно аналогичное поведение зависимостей С(Т) номинально чистых и у - облученных малыми (до 0,5 MR) дозами кристаллов ТГС и ДТГС в широком температурном интервале и вблизи Т .
2) Определены коэффициенты разложения термодинамического потенциала F -а, (3, у и параметра трикритичности, приблизительно одинаковые по порядку величины для номинально чистых и гамма-облученных кристаллов ТГС и ДТГС.
3) Для дозы облучения 0,099 MR монокристалла ДТГС в приближении невзаимодействующих дефектов S-типа оценена их концентрация (ранее произведенная для кристалла ТГС, облученного дозами 0,1 MR и 0,3 MR).
4) В окрестности Тс численные значения теплоемкости в сегнето- и параэлектри-ческой фазах, ее скачок и протяженность «хвоста» зависимости С (Т) в параэлектри-ческой фазе для кристалла ДТГС (как избыточная теплота и изменение энтропии при фазовом переходе) заметно выше, чем в ТГС.
Авторы признательны Н.В.Ратиной за участие в проведении диэлектрических измерений кристаллов ДТГС.
Литература
1. Camnasio, A.J., Gonzalo, J.A. J. Phys. Soc. Jpn 39, 2, 451 (1975).
2. Camnasio, A.J., Gonzalo, J.A.. Solid State Comm. 16, 1169 (1975).
3. Felix, P., Gamot, P., Lacheau, P., Raverdi, Y. Ferroelecrics 17, 3-4 , 543 (1978).
4. Muser, H.E., Helwig, J., Barth, E. Ferroelectrics 25, 371 (1980).
5. Loiacono, G.M., Kostecky, G. Mat. Res. Bull. 16, 53 (1981).
6. Шильников, A.B., Федорихин, В.А., Ратина, H.B. Материалы Междунар. науч.-практ.
конф. «INTERMATIC - 2004, МИРЭА». М., ч.1, 76 (2004).
7. Струков, Б.А., Сигов, А.С., Федорихин, В.А., Тараскин, С.А. Письма в ЖЭТФ 31, 3,184(1980).
8. Струков, Б.А., Рагула, Е.П., Архангельская, С.В., Шнайдштейн, И.В. ФТТ 40,1,106 (1998).
9. Леванюк, А.П., Осипов, В.В., Сигов, А.С., Собянин, А.А. ЖЭТФ 76, I, 345 (1979).
10. Струков, Б.А., Тараскин, С.А., Сувханов, А.В. Пьезоэл. мат. и преобраз. Ростов н/Д., 19 (1991) .^
11. Вон, С.Й. Автореф. ... канд. физ.-мат. наук. М.(1995). 16 с.
