English/Russian

[ Список сотрудников ]

В 1958 году была создана группа кристаллофизики, преобразованная в 1959 году в одноименную лабораторию, которую возглавил канд. физ.-мат. наук Кирилл Сергеевич Александров (с 1967 г. — докт. физ.-мат. наук, с 1972 г. — чл.-корр. РАН, с 1984 г. — академик РАН, с 2004 г. — советник РАН). В 2003- 2008 г. лабораторией руководил докт. физ.-мат. наук И.Н. Флёров. С 2008 г. лабораторией руководит кандидат физ.-мат. наук Зайцев Александр Иванович

В первые годы, на стадии становления в лаборатории проводились исследования законов распространения упругих волн в кристаллах, изучались такие физические свойства сегнетоэлектриков, как упругость, пьезоэффект и электрострикция. В это же время были заложены основы для развития работ по синтезу новых соединений и росту кристаллов из раствора и расплава.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ:

Основная деятельность лаборатории, связанная с комплексными исследованиями структуры, физических свойств и механизмов фазовых переходов в сегнетоэлектриках, была отмечена Государственной премией СССР (1989). За работы в области кристаллохимического, кристаллографического и теоретико-группового анализа, способствующие прогнозу новых структур перовскитоподобных соединений, сотрудникам лаборатории была присуждена премия РАН им. Е. С. Федорова (1997).

Развивается и теория структурных фазовых переходов в рамках феноменологического подхода и с использованием первопринципных расчетов. Совокупность систематических экспериментальных и теоретических исследований обширных рядов кристаллов, принадлежащих различным семействам, способствовала развитию модельных представлений о механизмах структурных искажений, связанных с фазовыми переходами. Значительный практический интерес выполняемых в лаборатории работ, относящихся к одному из актуальных междисциплинарных направлений — физики и химии твердого тела, научного материаловедения, связан с установлением взаимосвязей между химическим составом, структурой и свойствами, способствующих поиску рациональных путей реализации перспективных для применений материалов.

Лаборатория кристаллофизики на протяжении многих лет плодотворно сотрудничает в рамках международных проектов и программ с организациями и учеными России, а также Франции, Испании, Швейцарии, Германии в области экспериментальных и теоретических исследований фазовых переходов в диэлектрических, сегнетоэлектрических и сегнетоэластических монокристаллах, керамиках и стеклах.

На базе лаборатории создана Научная Школа, нашедшая признание в научной среде России и зарубежных стран, а также на правительственном уровне РФ, что выражается в финансовой поддержке Школы на протяжении последних десяти лет.

Лаборатория состоит из нескольких специализированных групп:

• Группа теоретических исследований, занимающаяся развитием теории структурных фазовых переходов, сегнетоэлектрического состояния, первопринципными расчетами свойств как объёмных кристаллов, так и тонких кристаллических пленок.
• Группа теплофизических исследований ведет работы, связанные с изучением теплоемкости, энтропии, теплового расширения, восприимчивости к высоким давлениям, баро- электро- и магнетокалорической эффективности материалов.
• Группа оптических исследований занимается изучением оптических свойств материалов (дисперсионная зависимость показателей преломления, температурная зависимость двупреломления, исследование фазовых переходов с помощью поляризационной микроскопии).
• Группа рентгеноструктурных исследований проводит комплексные работы по первичной характеризации получаемых материалов (рентгенофазовый анализ на порошках), расшифровке и решению структур новых кристаллических соединений (как порошковый, так и монокристальный методы), исследованию структур соединений в различных температурных областях, в том числе, при фазовых переходах.
• Технологическая группа, занимающаяся химическим синтезом исходных соединений и выращиванием кристаллов растворными и расплавными методами.

В настоящее время в лаборатории два аспиранта и 18 научных сотрудников, из них 4 доктора и 14 кандидатов наук.

Наиболе важные результаты исследований

Среди результатов, полученных в лаборатории за последнее время можно выделить несколько наиболее значимых:

1. PbMg_1/3Nb_2/3O₃ (PMN) часто рассматривается как модельный сегнетоэлектрик-релаксор. При охлаждении в электрических полях с напряженностью большей критической величины E_C≈1.7 кВ/см в PMN формируется сегнетоэлектрическая фаза с симметрией R3m. Положение фазовых границ и свойства PMN в различных областях диаграммы T - E оказались существенно зависящими не только от напряженности поля, но и от способа его приложения.

   Методом адиабатической калориметрии в температурном интервале 170 - 250 K проведены измерения теплоемкости C_p(Т) монокристалла PMN в электрическом поле E=3 кВ/см вдоль [111]. Обнаружены аномалии C_p, соответствующие индуцированному полем фазовому переходу из релаксорного состояния в сегнетоэлектрическое, при 225 К в режиме охлаждения в поле и при 235-240 К при последующем нагреве в поле (Рис. 1.). Сформированная полем сегнетоэлектрическая фаза сохраняется при низких температурах в метастабильном состоянии и разрушается при нагреве в нулевом поле при 210 К (Рис. 1. и 2.). Малая величина изменения энтропии ΔS=0.028 R при индуцированном полем переходе свидетельствует о незначительном изменении объемной доли уже существующих полярных нанообластей.


Рис. 1. Температурная зависимость аномальной теплоемкости при охлаждении в поле (FC), при нагреве без поля после охлаждения в поле (ZFHaFC) и при нагреве в поле после охлаждения в поле (FHaFC).


Рис. 2. Экспериментальная фазовая диаграмма PMN из диэлектрических, рентгеновских и калориметрических данных. (a). Фазовая диаграмма сферической модели случайных связей-случайных полей (b).

2. Выполнен неэмпирический расчет динамики решетки и упругих свойств ряда неупорядоченных и упорядоченных твердых растворов PbB’_1/2Nb_1/2O₃, PbB’_1/2Ta_1/2O₃ (B’=Sc, Ga, In, Lu), LaxSr_1-xMnO₃ и La_xCa_1-xMnO₃ со структурами типа перовскита и эльпасолита. Определены параметры элементарной ячейки a₀, диэлектрические постоянные ε, упругие модули C_ij. В рассчитанном фононном спектре высокосимметричной кубической фазы всех рассмотренных соединений найдены неустойчивые моды колебаний кристаллической решетки. В твердых растворах PbB’_1/2Nb_1/2O₃ и PbB’_1/2Ta_1/2O₃ неустойчивость связана с сегнетоэлектрическими искажениями решетки, тогда как в манганитах – с поворотами кислородных октаэдров MnO₆. Фазовые переходы в рассматриваемых соединениях исследованы методом Монте – Карло с эффективным гамильтонианом, параметры которого определены из расчета энергий искаженных фаз. Определены частоты неустойчивых мод (ω), температуры фазовых переходов (Т_c) и (для сегнетоэлектрических кристаллов) спонтанная поляризация (P_s). Вычислены значения частот колебаний кристаллической решетки BiFeO₃ в кубической фазе (Pm-3m) и ромбоэдрической парафазе (R-3c). В сегнетоэлектрической фазе с симметрией R3c вычисленное значение спонтанной поляризации P_s=136 мкКул/см² хорошо согласуется с экспериментальными данными. Рассчитаны зависимости от давления объема элементарной ячейки, модулей упругости и частот колебаний. Получено, что частота неустойчивой сегнетоэлектрической моды как в кубической (Pm-3m) так и в ромбоэдрической (R-3c) фазах практически не зависит от приложенного давления, в отличие от классических сегнетоэлектриков со структурой перовскита, где сегнетоэлектрическая неустойчивость очень чувствительна к изменению давления. Эта зависимость показана на рисунке 3. Проведен расчет динамикирешетки и величин спонтанной поляризации для пленок неупорядоченных твердых растворов PbM_1/2Nb_1/2O₃, PbM_1/2Ta_1/2O₃ (M=Sc, Ga, In, Lu) и для SrTiO₃ . Получены зависимости частоты неустойчивой сегнетоэлектрической моды, диэлектрической проницаемости, величины спонтанной поляризации от толщины пленки. Показано, что сегнетоэлектрическая неустойчивость для SrTiO₃ и всех растворов, за исключением соединений со скандием присутствует для всех толщин пленки. На рисунке 4 приведена зависимость величины спонтанной поляризации от толщины пленки SrTiO₃, из которого видно, что эта величина резко уменьшается с увеличением толщины пленки.

Рис. 3. Зависимость частоты сегнетоэлектрической моды от давления для кристаллов: квадраты – BaTiO3 (светлые символы – расчет [Phase Trans. Vol.80, p.385, 2007]), треугольники – PbTiO3 (светлые символы – расчет [PRB Vol. 74, p.180101, 2006]), черные кружки BiAlO3, кресты – BiFeO3.	Рис. 4. Зависимость спонтанной поляризации в плоскости пленки SrTiO3 от ее толщины.

3. Обнаружены ростовые доменные структуры в кристаллах тетрабората стронция α-SrB₄O₇ (рис. 5). Разработана методика визуализации и измерения толщины отдельных доменов. Показано, что структуры состоят из чередующихся противоположно поляризованных доменов и представляют собой слои переменной толщины, перпендикулярные кристаллографической оси a. Такие структуры могут иметь протяженность ~ 1 сантиметр во всех трех направлениях. Наличие доменных структур в тетраборате стронция позволяет применить этот материал в процессах эффективного нелинейнооптического преобразования лазерного излучения вплоть до ВУФ области.

Рис. 5. Кристалл тетрабората стронция с доменной структурой. Визуализация травлением.	Рис. 6. Типичная доменная структура в кристалле тетрабората стронция. Инверсный характер травления + и – полярных поверхностей образца. Толщина образца – 9 мм.

Важнейшие публикации:

1. Горев М.В., Бондарев В.С., Александров К.С., Исследование теплоемкости PMN вблизи индуцированного электрическим полем фазового перехода, Письма ЖЭТФ. – 2007. – т. 85, №6, С.340-342.
2. Замкова Н.Г., Зиненко В.И. Неэмпирический расчет сегнетоэлектрического фазового перехода в неупорядоченных и упорядоченных твердых растворах PbSc_1/2Ta_1/2O₃ и PbSc_1/2Nb_1/2O₃ с использованием модельного гамильтониана // ЖЭТФ, 2008, 133, с. 622.
3. Жандун В.С., Замкова Н.Г., Зиненко В.И. Динамика решетки, сегнетоэлектрическая и антисегнетоэлектрическая нестабильность и сегнетоэлектрический фазовый переход в неупорядоченных твердых растворах PbB'_1/2B"_1/2O₃ (B'= Ga, In, Lu; B"=Nb, Ta) // ЖЭТФ, 2008, 133, с. 1266.
4. Жандун В.С., Зиненко В.И. «Расчет динамики решетки и спонтанной поляризации тонких сегнетоэлектрических пленок неупорядоченных твердых растворов PbB’_1/2B’’_1/2O₃ (B’= Sc, Ga, In, Lu; B’’= Nb, Ta)», ФТТ, том 51,стр. 1783(2009)
5. Зиненко В.И., Павловский М.С. Динамика решетки BiFeO₃ под гидростатическим давлением, ФТТ, том 51, стр.1328 (2009)
6. Zaitsev A.I., Aleksandrovsky A.S., Vasiliev A.D., Zamkov A.V. Domain structure in strontium tetraborate single crystal // Journal of Crystal Growth, 2008, V. 310, №1, pp. 1-4.
7. Aleksandrovsky A.S., Vyunyshev A.M., Shakhura I.E., Zaitsev A.I., Zamkov A.V. Random quasi-phase-matching in nonlinear photonic crystal structure of strontium tetraborate // Phys. Rev. A, 2008, V. 78, pp. 031802(1-4).
8. Александров К.С., Безносиков Б.В. Кристаллохимия неорганических соединений с пятью анионами (Многообразие структур, возможности синтеза новых соединений, области использования ). – 2010. – Красноярск: Издательство Института Физики СО РАН. – 204 с.