WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 12 Оптические спектры ниобата лития © Т.П. Мясникова, А.Э. Мясникова Ростовский государственный университет, 344090 Ростов-на-Дону, Россия E-mail: rochal@phys.rnd.runnet.ru (Поступила в Редакцию в окончательном виде 20 мая 2003 г.) Особенности в оптических спектрах ниобата лития, обнаруженные при 90 и 120-125C, можно связать с перестройкой электронной подсистемы и соответствующим изоструктурным преобразованием решетки.

В ближней инфракрасной области наблюдались полосы (1.43 eV), по-видимому обусловленные поляронами большого радиуса с энергией связи 0.48 eV. Уменьшение коэффициента поглощения в максимуме этих полос к 160C, вероятно, соответствует разрушению поляронов большого радиуса при этих температурах.

Интенсивно исследуемый кристалл ниобата лития выше 125C — 386 cm-1. Параметр правила Урбаха LiNbO3 (НЛ) обнаруживает сегнетоэлектрический фазо- для XY -среза НЛ в цикле нагрева имел минимумы при вый переход в районе 1140C. Однако ряд авторов ука- 90.120 и 130C, а в цикле охлаждения — при 130, зывает на аномалии электрофизических характеристик и 110 и 80C. Константа электрон-фононного взаимодейоптических свойств в области 20-200C [1,2]. Тем не ствия ниже 90C имеет величину g = 37, выше 90C менее нет единого мнения не только о природе указан- g = 21. Энергия эффективного фонона равна 500 cm-1.

ных аномалий, но и о самом факте их существования. Наблюдаемые особенности параметров правила Урбаха Целью настоящей работы является исследование при- в районе 90 и 120C коррелирует с отмеченными в роды аномалий спектров НЛ в интервале 20-180C.

Анализ спектров поглощения зарекомендовал себя как достаточно чувствительный и эффективный метод исследования фазовых переходов в сегнетоэлектриках, в частности в кристаллах титаната бария и скандониобата свинца [3,4]. Объектами исследования служили коммерческие монокристаллические пластины НЛ, вырезанные параллельно (YZ-срез) и перпендикулярно (XY -срез) сегнетоэлектрической оси, толщиной 0.105 и 0.1025 cm соответственно. Спектры поглощения регистрировались на спектрофотометре СФ-14 в видимой области (400-750 nm) и на инфракрасном спектрометре ИКС-14А в ближней ИК-области (3800-14 200 cm-1) при температурах от 16 до 160C. Температура регулировалась терморегулятором ВРТ-3 с точностью 0.1C.

Свет, падающий на образец в спектрофотометре СФ-14, поляризован перпендикулярно щели.

В видимой области в спектрах YZ-среза НЛ наблюдались две полосы поглощения с максимумами и 685 nm, а в спектрах XY -среза НЛ — 470 и 685 nm.

Согласно [5], первая полоса, возможно, соответствует биполяронам малого радиуса Nb3+NbNb, вторая —поLi ляронам малого радиуса Nb3+. Длинноволновый край Li первой полосы подчиняется правилу Урбаха. Как видно из рис. 1, a, параметр правила Урбаха, характеризующий наклон прямолинейной зависимости логарифма коэффициента поглощения K от энергии падающего света ( =( ln K/ )kT), имеет резонансные минимумы при нагреве YZ-среза НЛ при 90.125 и 160C, а при охлаждении — при 125 и 80C. Константа электронРис. 1. Температурные зависимости энергетического полофононного взаимодействия в цикле нагрева ниже и выше K жения длинноволновой части полосы поглощения Eg при 125C составляет g = 145, в цикле охлаждения выше ln K = 3.91 (1) и параметра правила Урбаха при нагрева125C g = 131, ниже 125C g = 170. Энергия эффекнии (2) и охлаждении (3) YZ-среза НЛ (a) и интегральной тивного фонона, наиболее сильно связанного с элек- интенсивности I полосы с max = 685 nm при нагревании (1) тронным переходом ниже 125C, составляет 417 cm-1, и охлаждении (2) YZ-среза НЛ (b).

Оптические спектры ниобата лития вибронного взаимодействия при появлении носителя в зоне проводимости может, по-видимому, объяснить столь высокое значение энергии связи полярона. Наличие избыточного электрона в некоторой области пространства (область локализации носителя в поляроне большого радиуса) приводит в соответствии со схемой Хартри–Фока к перестройке всей системы электронных одночастичных состояний ионов решетки, включая и остовные, в результате чего расположение ионов изменяется, а энергия системы понижается вследствие вибронного взаимодействия. При изучении кластеров Рис. 2. Спектры поглощения НЛ в ближней ИК-области.

1 — YZ-срез при 110C, 2 — XY -срез при 80C.

работе [6] изменениями в доменной структуре и электропроводности при этих температурах.

Для температурной зависимости энергетического поK ложения края поглощения Eg первой полосы (YZ-срез) при постоянном коэффициенте поглощения ln K = 3.можно отметить следующие особенности: в режиме K нагрева кристалла вблизи 90C Eg скачком уменьшается на 0.06 eV, а вблизи 125C уменьшается на 0.075 eV (см. кривую 1 на рис. 1, a). Для XY -среза НЛ энергетиK ческое положение края поглощения Eg первой полосы при постоянном коэффициенте поглощения ln K = 1.уменьшается вблизи 90C на 0.1 eV, в вблизи 120C — на 0.125 eV. Эти данные позволяют предположить, что в области температур 90 и 120-125C, по-видимому, имеет место перестройка электронной структуры, приводящая также к изоструктурному изменению решетки и доменной структуры, поскольку подобные изменения обычно связаны с межзонным электрон-фононным взаимодействием, которое одновременно приводит к сдвигу полос поглощения и изоструктурной перестройке решетки [7].

Вторая полоса (685 nm) имеет колоколообразный вид и одинаковые температурные зависимости интегральной интенсивности I для обоих срезов, которые характеризуются небольшим увеличением интенсивности в области 90-130C и резким ее ростом выше 160C (рис. 1, b).

В ближней ИК-области для YZ-среза НЛ наблюдалась колоколообразная полоса поглощения с центром 11 500 cm-1 и полушириной 1.26 eV при 100C. Форма контура полосы такова (рис. 2, a), что коэффициент поглощения при высоких частотах больше, чем при низких. Это является признаком полярона большого радиуса с энергией связи /3 = 0.48 eV [8]. Здесь необходимо отметить, что образование полярона со столь большой энергией связи в НЛ только за счет фрелиховского электрон-фононного взаимодействия предРис. 3. Температурные зависимости коэффициента поглощеставляется маловероятным вследствие большой ширины ния в максимуме max полосы 11 500 cm-1 (1) и электропрозоны проводимости (порядка 2 eV [9]). Однако учет водности [6] (2). a — YZ-срез, b — XY -срез.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2232 Т.П. Мясникова, А.Э. Мясникова разных размеров методом Хартри–Фока доказано, что [3] Т.П. Мясникова, С.Г. Гах, Р.Я. Евсеева, А.В. Алферов.

Неорган. материалы 37, 355 (2001).

эффект перестройки системы электронных одночастич[4] К.Г. Абдулвахидов, И.В. Мардасова, Т.П. Мясникова, ных состояний тем больше, чем меньше размер кластеВ.А. Коган, Р.И. Спинко, М.Ф. Куприянов. ФТТ 43, 3, ра, т. е. чем выше плотность распределения избыточного (2001).

электрона в ней. На аналогичный характер зависимости [5] O.J. Shirmer, O. Thiemann, M. Wohlecke. J. Phys. Chem. Sol.

энергии вибронного взаимодействия от размера области 52, 1, 185 (1991).

локализации носителя указывается в [10–12]. Следова[6] В.П. Каменцев, А.В. Некрасов, Б.Б. Педько, В.М. Рудяк.

тельно, вибронное взаимодействие будет уменьшать раИзв. АН СССР. Сер. физ. 47, 4, 791 (1983).

диус полярона, т. е. увеличивать энергию связи полярона.

[7] В.М. Фридкин. Сегнетоэлектрики-полупроводники. Наука, Оценить величину роста энергии связи полярона в НЛ М. (1976). 408 с.

за счет вибронного взаимодействия можно, учитывая [8] D. Emin. Phys. Rev. B 48, 18, 13 691 (1993).

тот факт, что в интервале температур 90-130C меж[9] И.Ш. Ахмадуллин, В.А. Голенищев-Кутузов, С.А. Мигазонное электрон-фононное взаимодействие уменьшает чев, С.П. Миронов. ФТТ 40, 7, 1307 (1998).

ширину запрещенной зоны примерно на 0.1-0.225 eV [10] F.S. Ham. Phys. Rev. 138, 6A, 1727 (1965).

(как это следует из величины смещения энергетическо- [11] G.D. Watkins, F.S. Ham. Phys. Rev. B 1, 10, 4071 (1970).

K го положения края поглощения Eg ). Это уменьшение [12] S. Kohne, O.F. Schrimer, H. Hesse, T.W. Kool, V. Vikhnin.

J. Supercond. 12, 1, 193 (1999).

ширины запрещенной зоны можно рассматривать как [13] В.С. Вихнин, С. Каппхан. ФТТ 40, 5, 907 (1998).

нижний предел понижения поляронного уровня для [14] Э.Н. Мясников, А.Э. Мясникова. ЖЭТФ 116, 4 (10), электрона проводимости вибронным взаимодействием, (1999).

так как плотность распределения электрона в поляроне значительно выше средней плотности носителей в зоне проводимости. Эта оценка согласуется с оценкой величины вклада вибронного взаимодействия в энергию связи вибронного экситона с переносом заряда в перовскитных сегнетоэлектриках [13].

Коэффициент поглощения в максимуме max полосы 11 500 cm-1 YZ-среза уменьшается с ростом температуры (рис. 3, a), демонстрируя, однако, резкий максимум при 110C. Интересно отметить, что на кривой температурной зависимости проводимости YZ-среза НЛ [6] наблюдался максимум проводимости в области 112C на фоне ее общего роста с температурой. Для XY -среза НЛ в ближней ИК-области также наблюдалась полоса с центром 11 500 cm-1 (кривая 2 на рис. 2). Коэффициент поглощения max полосы 11 500 cm-1 XY -среза НЛ уменьшается с ростом температуры в области 80-160C. С температурным поведением коэффициента поглощения также коррелирует температурное поведение проводимости среза XY, которая в этой области температур демонстрирует быстрый рост [6] (рис. 3, b).

Возможно, область температур 80-160C соответствует разрушению поляронов большого радиуса. Причиной разрушения поляронного состояния при температурах, много меньших энерги связи полярона, является то, что уже при таких температурах средняя скорость теплового движения поляронов оказывается больше минимальной фазовой скорости фононов. При таком сверхзвуковом движении полярон теряет свою фононную оболочку (поляризационную „шубу“), т. е. разрушается [14]. Изменения спектров в области 150-160C согласуются с изменением параметров ячейки при этой температуре [1].

Список литературы [1] И.Г. Исмаилзаде, В.И. Нестеренко, Ф.А. Миришли. Кристаллография 13, 1, 33 (1968).

[2] G.A. Smolenskii, N.N. Krainik, N.P. Kruchua, V.V. Zdanova, I.E. Mylnikova. Phys. Stat. Sol. 13, 2, 309 (1966).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.