Закономерности образования доменной структуры

Анализ экспериментальных результатов показывает, что доменная структура формируется при фазовом переходе под влиянием многих факторов [10]. Действительно, скачок параметра порядка фазовый переход — в кристаллах, испытывающих фазовый переход I-го рода, сопровождается скачком всех параметров кристалла как термодинамической системы: электрических, механических и тепловых. Доменную структуру можно рассматривать как реакцию на скачкообразное изменение параметров, приводящую к минимуму свободную энергию кристалла, представляющего при фазовом переходе гетерогенную систему.

Взаимосвязь параметров кристалла определяется его физическими свойствами, поэтому как скачки параметров, так и физические свойства кристалла при фазовом переходе являются внутренними факторами, влияющими на доменную структуру. Кроме того, к внутренним факторам необходимо отнести форму и размеры кристалла, а также дефекты кристаллической структуры. Условия, при которых происходит фазовый переход, являются внешними факторами.

Внутренние факторы обсудим в связи с теми изменениями в кристалле, которые происходят при возникновении .

1. Изменения симметрии. Симметрия кристалла — основное физическое свойство, определяющие геометрические закономерности упаковки доменов [6]. При переходе из парафазы в сегнетофазу в последней сохраняются только те элементы симметрии парафазы, которые являются общими с симметрией, что позволяет предсказать число эквивалентных направлений и геометрию доменных стенок. Однако, вопрос в том, как и почему возникают те или иные доменные конфигурации не может быть решен только из симметрийных соображений.

2. Изменения электрического состояния. Возникновение нельзя отделить от появления зародыша сегнетофазы, границы которого несут поляризационные заряды, являющиеся источником поля деполяризации. В отсутствие экранирования это поле можно определить по формуле, где — фактор формы зародыша сегнетофазы, — скачок спонтанной поляризованности при фазовом переходе, — диэлектрическая проницаемость в точке Кюри. На примере кристаллов мы видим, что фактор формы не обращается в нуль. При стремлении к нулю конфигурация зародыша вступает в противоречие с оптимальными условиями механического согласования фаз. При, конечных значениях диэлектрической проницаемости при фазовом переходе и больших значениях, характерных для многоосных сегнетоэлектриков, величина слишком велика и единственным средством ее минимизации остается образование доменов. Таким образом,, и, определяющие величину и распределение поля, являются внутренними факторами.

Если кристалл обладает электропроводностью, то к внутренним факторам необходимо добавить удельную электропроводность при фазовом переходе.

.

определяющую, наряду с диэлектрической проницаемостью при фазовом переходе, время релаксации зарядов экранирования. Условия экранирования зависят от подвижности и концентрации свободных носителей заряда.

Для кристаллов оксидов типа перовскита (ОСП) характерен электронный тип проводимости, обусловленный наличием в них точечных дефектов [10], следовательно, концентрации донорных и акцепторных дефектов, наряду с, также являются факторами, влияющими на доменную структуру. Соотношение между и определяет тип проводимости (- или — тип) кристалла, что также находит отражение при формировании доменных конфигураций. Внутренние факторы, связанные с изменениями электрического состояния, определяют форму, размеры и концентрацию доменов.

3. Изменения механического состояния. Собственная деформация превращения при сегнетоэлектрическом фазовом переходе в многоосных кристаллах ОСП имеет электрострикционную природу. Скачок спонтанной деформации при фазовом переходе можно представить так:

.

где — коэффициент электрострикции. Из условий оптимального механического согласования фаз следует, что ориентация межфазных границ и двойниковый состав сегнетофазы определяется наличием компонент тензора электрострикции. Механические же напряжения, действующие на зародыши сегнетофазы, являются сложной функцией величин, и модулей упругости, определяющих пределы упругости кристалла. Таким образом, к внутренним факторам, связанным с изменением механического состояния, необходимо отнести, и. К ним же следует добавить первый и второй пределы упругости. Напряжения, при которых они достигаются, пропорциональны. В связи с трудностями прямого их определения пределы упругости предлагается характеризовать значениями (первый предел упругости) и (второй предел упругости), при которых образуются упругие (исчезают при снятии напряжения) и остаточные двойники, соответственно.

Как точечные, так и протяженные дефекты могут оказывать влияние на кинетику фазовых переходов и процессы двойникования. Дефекты кристаллов, нарушая однородность электрических и механических полей, вносят элементы случайности в образование доменной структуры. В связи с этим концентрация протяженных дефектов: дислокаций, включений, трещин, поверхностных повреждений также являются факторами, оказывающими существенное влияние на доменную структуру.

4. Изменения теплового состояния. Скачок сопровождается выделением скрытой теплоты:, где — температура Кюри, — константа Кюри — Вейсса. Опыт показывает, что выделяющееся тепло при фазовом переходе оказывает существенное влияние на его кинетику и, следовательно, на формирующуюся доменную структуру, поэтому к внутренним факторам необходимо отнести теплоту перехода, а также теплопроводность и теплоемкость, от которых зависит теплообмен. Температура перехода также является существенным фактором, так как от ее величины зависит состояние электронной и дефектной подсистем кристалла.

Следует отметить, что однородность и распределение механических, электрических и тепловых полей, существенно зависят от формы и размеров кристалла, в связи с чем они также относятся к факторам, влияющим на доменную структуру.

Кинетика фазового перехода и доменная структура зависят от внешних воздействий, которые можно рассматривать как совокупность внешних факторов. Рассмотрим те из них, которые определяют условия охлаждения кристалла, находящегося в непроводящей среде.

1. Градиент температуры. При однородном распределении температуры, когда, сегнетофаза возникает в тех местах кристалла, где существуют инициаторы зарождения (дефекты структуры), а при наличии — там, где достигнуто необходимое переохлаждение. В этих случаях в кристалле одновременно возникают и разрастаются несколько зародышей сегнетофазы, что ведет к формированию однороден, то в кристалле можно ожидать развития ФП с одной плоской межфазной границей. В таком случае создаются условия получения наиболее простой и воспроизводимой доменной структуры.

доменная структура фазовый переход.

2. Скорость охлаждения, градиент температуры и условия теплообмена контролируют скорость движения межфазной границы, от которой зависит формирование доменов, в связи с чем являются основными внешними факторами при отсутствии внешних электрических или механических полей, облучения и, по-видимому, магнитных полей. Влияние последних на сегнетоэлектрический ФП, практически, не изучено.

Основные закономерности формирования доменной структуры при фазовом переходе в многоосных сегнетоэлектрических кристаллах можно сформулировать следующим образом:

• а) доменная структура является суперпозицией — х и не — х доменов, которые формируются одновременно на межфазной границе. Закон их сосуществования прост — нуль-зарядность доменных стенок.
• б) Образование не — х доменов обусловлено механическим согласованием фаз на межфазной границе:

если велик и в области границы развиваются напряжения, достаточные для преодоления второго предела упругости, то в сегнетофазе формируется регулярная слоистая двойниковая конфигурация;

если напряжения достаточны для преодоления только первого предела упругости, то СФ двойникуется в процессе ФП, а с исчезновением межфазной границы двойники исчезают;

если напряжения недостаточны для преодоления первого предела упругости, то согласование фаз на межфазной границе упругое и сегнетофаза не двойникуется.

в) Образование — х доменов определяется условиями экранирования на межфазной границе и на гранях кристалла:

при, где — концентрация свободных носителей заряда, необходимых для полного экранирования, формируютсяе доменные конфигурации, близкие к равновесным, с ориентацией — х стенок по ;

при формируются неравновесныее доменные конфигурации из конусов и клиньев (обратных доменов) со стенками, отклоняющимися от ;

при включается фактор скорости движения межфазной границы: когда, где — критическая скорость, -е домены не возникают; когда, условия экранирования нарушаются и формируются отдельные обратные домены, концентрация которых растет с ростом .