Влияние механических напряжений на доменную структуру монокристаллов многоосных сегнетоэлектриков (на примере титаната бария)

В данной обзорной статье обобщён материал многолетних исследований, посвящённых влиянию механических напряжений на доменную структуру многоосных сегнетоэлектриков на примере монокристаллов титаната бария (BaTiO ). Со времени открытия сегнетоэлектрических свойств титаната бария в 1944 году3 этот материал стал предметом всестороннего исследования как первый практически важный и, пожалуй, наиболее известный сегнетоэлектрик. Доменная структура титаната бария является чувствительной к механическим напряжениям, возникающим и от простого одноосного сжатия, и от точечных воздействий локальной механической нагрузкой. Механические напряжения, действуя на сегнетоэлектрический кристалл, оказывают существенное влияние на его диэлектрические и пьезоэлектрические свойства, в частности, под влиянием механических напряжений возможны 90-градусные переключения доменов. Наиболее интересные экспериментальные результаты были получены при изучении упругопластических процессов в BaTiO под действием локальных механических нагрузок. Обнаружены и изучены: напряжённо-деформированная область вокруг точки приложения нагрузки; «внутренний» 90-градусный домен, не выходящий ни на одну из поверхностей кристалла и не3 замыкающийся на других доменах; рост 90-градусных доменов под действием остаточных механических напряжений; рост трещин вдоль заряженных 90-градусных доменных границ. Введены термины «сегнетопластический эффект» (деформирование кристалла за счёт образования 90-градусных сегнетоэлектрических доменов) и «сегнетомеханический эффект» (образование и рост трещин по заряженным 90-градусным доменным границам). Была выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о существенной роли кислородных вакансий в процессах 90-градусных доменных переориентаций. В частности, увеличение концентрации кислородных вакансий путём восстановительного отжига монокристаллов титаната бария создаёт более благоприятные условия для появления «внутреннего» 90-градусного домена под локальной механической нагрузкой. Изучение закономерностей формирования доменной структуры в сегнетоэлектрических кристаллах остаётся важной проблемой современного материаловедения.

сегнетоэлектрики, домены, внутренние механические напряжения, релаксация, внутреннее электрическое поле

1. Кокцинская Е.М. «Умные» материалы и их применение (обзор). Видеонаука: сетевой журн. 2016;1. URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor

2. Большакова Н.Н., Большакова О.В., Сергеева О.Н., Педько Б.Б., Бородина В.В., Некрасова Г.М. Кинетика доменных процессов в кристаллах титаната бария. Химическая термодинамика и кинетика. Сборник докладов VIII Международной научной конференции. Тверь: Тверской государственный университет, 2018. С. 75-76.

3. Киселев Д.А., Ильина Т.С., Малинкович М.Д., Сергеева О.Н., Большакова Н.Н., Семенова Е.М., Кузнецова Ю.В. Особенности поведения доменной структуры кристаллов BaTiO 3 в процессе термического нагрева и охлаждения. Физика твёрдого тела. 2018;60(4):734-738. http://dx.doi.org/10.21883/FTT.2018.04.45684.01D

4. Широков В.Б., Калинчук В.В., Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И. Материальные константы тонких пленок титаната бария. Физика твердого тела. 2015;57(8):1509-1514.

5. Емельянов Н.А., Чаплыгин А.А., Аль Мандалави В.М., Граби З.Х. Особенности фазового перехода в композитном материале на основе наночастиц BaTiO3 с модифицированной поверхностью в матрице полистирола. «AUDITORIUM». Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014;4:1-4. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/004-001

6. Емельянов Н.А., Сизов А.С., Яковлев О.В. Структура и свойства наночастиц титаната бария, полученных термической обработкой пероксидного прекурсора. Учёные записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2013;4(28):1-5

7. Курчатов И.В. Избранные труды: в 3 т. Т.1 Сегнетоэлектричество. М.: Наука, 1982. 391 с.

8. Ржанов А.А. Титанат бария – новый сегнетоэлектрик. Успехи физических наук. 1949;XXXVIII(8):461-489. https://doi.org/10.3367/UFNr.0038.194908a.0461

9. Титанат бария. М.: Наука, 1973. 264 с.

10. Бурсиан Э.В. Нелинейный кристалл. Титанат бария. М.: Наука, 1974. 295 с.

11. Рудяк В.М. Процессы переключения в нелинейных кристаллах. М.: Наука, 1986. 248 с.

12. Физика сегнетоэлектрических явлений, под ред. Г.А. Смоленского. Л.: Наука, 1985. 396 с.

13. Желудев И.Г., Шувалов Л.А. Ориентация доменов и макросимметрия свойств сегнетоэлектрических кристаллов. Изв. АН СССР. Сер. физич. 1957;21(2):264-274.

14. Гриднев С.А. Сегнетоэластические кристаллы: основные свойства, влияние дефектов. Природа. 2002;6:22-29. URL: http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_02/SEIGN.HTM

15. Remeika J.P., Jackson W.M. A Method for Growing Barium Titanate Single Crystals. J. Amer. Chem. Soc. 1954;76(3):940-941. https://doi.org/10.1021/ja01632a107

16. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы. Монография. М.: Мир, 1965. 554 с.

17. Барфут Дж. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений. М.: Мир, 1970. 278 с.

18. Burfoot Jack C. Ferroelectrics. An introduction to the Physical Principles. New York: Van Nostrand; 1967. 261 p.

19. Никифоров И.Я., Мальцев Ю.Ф., Бородин В.З. Исследование сегнетоэлектрических кристаллов на трехкристальном рентгеновском спектрометре. Кристаллография. 1973;18(5):1018-1022.

20. Bhide V.G., Barat N.J. Interferometric Study of the Microtopography Arising out of 90° Domain Walls in Single Crystals of Barium Titanate. J. Appl. Phys. 1963;34(1):181-188. https://doi.org/10.1063/1.1729063

21. Forsbergh P.W. Jr. Domain Structures and Phase Transitions in Barium Titanate. Phys. Rev. 1949;76(8):1187-1201. https://doi.org/10.1103/PhysRev.76.1187

22. Пикалев Э.М., Дорошенко В.А., Алёшин В.И. Фазовое состояние кристалла титаната бария при сильных механических напряжениях. Сегнетоэлектрики при внешних воздействиях. Л.: Изд. ФТИ АН СССР, 1981. С. 65-76.

23. Синяков Е.В. Влияние внешних воздействий на доменную структуру и процессы поляризации монокрсталлов титаната бария. В кн.: Титанат бария. М.: Наука, 1974. С. 50-59.

24. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. М.: Наука, 1989. C. 13-14.

25. Borodina V.V., Kramarov S.O., Madorsky V.V., Rozin L.G. Effect of the boundary conditions on the local deformation of BaTiO 3 crystals. Ferroelectrics. 1995;172:141-150. https://doi.org/10.1080/00150199508018467

26. Богданов С.В. К вопросу о влиянии механической нагрузки на ориентацию доменов в монокристаллах BaTiO 3 . Кристаллография. 1962;7(5):755-760.

27. Grekov A.A., Kramarov S.O., Borodina V.V. Dynamics of the local deformation of c-domain BaTiO 3 crystals. Ferroelectrics. 1994;160(1):165-176. https://doi.org/10.1080/00150199408007706

28. Греков А.А., Крамаров С.О., Розин Л.Г., Англада Х. Влияние фотоактивного освещения на рост трещин в кристаллах BaTiO 3 . Кристаллография. 1993;38(1):247-249.

29. Крамаров С.О., Бородина В.В., Шкондин И.А. Новые эффекты в многоосных сегнетоэлектрических кристаллах типа BaTiO3 под воздействием локальных механических и электрических полей. Известия Академии наук. Серия физическая. 2000;64(6):1121-1128.

30. Приседский В.В. Кинетика релаксации кислородных вакансий в титанате бария. Химическая термодинамика и кинетика. Сборник докладов VII Международной научной конференции. Великий Новгород, 2017. С. 241-242.

31. Бородина В.В. К вопросу о влиянии кислородных вакансий на динамику доменной структуры в монокристаллах титаната бария. Евразийское Научное Объединение. 2020;3-1(61):17-20. URL:https://esa-conference.ru/wp-content/uploads/files/pdf/Borodina-Veronika-Viktorovna.pdf

32. Стефанович Л.И., Мазур О.Ю. Формирование доменных структур в сегнетоэлектриках в сильнонеравновесных условиях под влиянием внешних воздействий. Дніпро: Середняк Т. К., 2019. 100 с. ISBN 978-6177761-44-9. URL: https://www.researchgate.net/publication/332802272_Formirovanie_domennyh_struktur_v_segnetoelektrikah_v_silnoneravnovesnyh_usloviah_pod_vlianiem_vnesnih_vozdejstvij

33. Морозов А.И., Сигов А.С. Новый тип доменных границ в многослойных магнитных структурах. УФН. 1999;169(8):922-924. https://doi.org/10.3367/UFNr.0169.199908h.0922