Влияние близости к структурному фазовому переходу на динамику решетки, о псевдо-ян-теллеровской природе фононных аномалий IV-VI соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Максименко, Оксана Борисовна

• Максименко, Оксана Борисовна
• кандидат физико-математических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Максименко, Оксана Борисовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕН

ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ БИНАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ IV-VI ГРУПП.

ГЛАВА 2. ВИБРОННЫЙ ГАМИЛЬТОНИАН ДЛЯ КЛАСТЕРА

ГЛАВА 3. АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ НУЛЕВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ.

ГЛАВА 4. СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ КЛАСТЕРА.

ГЛАВА 5. ВИБРОННЫЙ ВКЛАД В МЕЖИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ И ДИНАМИКА РЕШЕТКИ.

ГЛАВА 6. МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ РЕШЕТКИ В ВЫСОКОСИММЕТРИЧНОЙ ФАЗЕ.

ГЛАВА 7. СТРУКТУРА И СИММЕТРИЯ А1УВУ1 СОЕДИНЕНИЙ

ГЛАВА 8. ФОНОННЫЙ СПЕКТР ДЛЯ КОМНАТНОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ.

ГЛАВА 9. ОПИСАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

ГЛАВА 10. ОБСУЖДЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ФОНОННОГО СПЕКТРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние близости к структурному фазовому переходу на динамику решетки, о псевдо-ян-теллеровской природе фононных аномалий IV-VI соединений»

Диссертация посвящена теоретическому исследованию фононных свойств бинарных соединений IV-VI групп таблицы Менделеева.

Актуальность темы. Бинарные соединения IV-VI групп , такие как РЬТе,РЬ8,8пТе, представляют собой уникальный класс материалов, и в последние годы находятся под пристальным вниманием теоретиков, экспериментаторов и технологов. Сочетая структурную простоту и сложные физические свойства, они нашли широкое применение в изготовлении звуковых датчиков, разнообразных детекторов [1],эмиттеров, инфракрасных лазеров [2],эксимерных лазеров [3].

IV-VI соединения являются узкощелевыми полупроводниками (с эффективной щелью порядка Ю-1 В число выдающихся свойств А1УВ11 входят их диэлектрические свойства, структурный фазовый переход в низкотемпературную фазу [4],[5], наличие мягкой моды (ТО), ангармонические эффекты. После экспериментального обнаружения сегнетоэлектрических свойств [б], встала проблема теоретического описания механизма, приводящего к возникновению мягкой оптической колебательной моды, относительно которой кристалл теряет свою стабильность, т.е. претерпевает фазовый переход типа смещения. За последние годы вышло достаточно большое количество теоретических работ, посвященных этой проблеме. Но до сих пор удовлетворительная теория динамики решетки этих соединений не построена, так как существующие феноменологические подходы не связывают особенности фононов и их температурную зависимость со структурными свойствами. Расчеты фононных спектров предыдущих моделей не только демонстрируют существенное отклонение от экспериментальных результатов, но, самое важное, проводятся в рамках чисто феноменологических подходов.

Основной целью диссертации является создание микроскопической теории электрон-колебательного взаимодействия сегнетоэлек-триков, которая позволяет описание особенностей фононных спектров родственных IV-VI соединений в едином подходе.

Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Максименко, Оксана Борисовна

В заключение сформулируем основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

1. Построена микроскопическая модель электронно-колебательного взаимодействия в сегнетоэлектрических соединениях, позволяющая количественное описание фононых спектров в высокосимметричной фазе и их температурной зависимости. Предлагаемая модель позволяет однозначную формулировку гамильтониана электрон-фононного взаимодействия на основе анализа симметрии низкоэнергетических электронных состояний соединения и типа структурного искажения при сегнетоэлектриче-ском переходе.

2. Разработан метод обобщения микроскопической вибронной модели сегнетоэлектричества на расчет всего фононного спектра сегнетоэлектриков в высокосимметричной фазе. Показано, что ви-бронная модель сегнетоэлектричества, описывающая структурные свойства сегнетоэлектрических соединений на основе микроскопического анализа особенностей электронной структуры, может быть применена не только к объяснению поведения "мягкой" моды, но и к описанию температурной зависимости всего фононного спектра в высокосимметричной фазе.

3. Показано, что разработанная модель позволяет микроскопически обосновать, какая фононная частота будет играть роль мягкой моды в сегнетоэлектрическом переходе.

4. На основе детального анализа температурной зависимости фо-нонных спетров полупроводниковых 1У-У1 соединений (РЬТе, РЬБ), обладающих достаточно широкой запрещенной щелью в электронном спектре, показано, что даже при комнатных температурах кристаллическая решетка близка к структурной неустойчивости.

5. Показано, что предложенная модель позволяет описание родственных сегнетоэлектрических IV-VI соединений (РЬТе, РЬБ) в рамках единого подхода, в котором все различия модельных параметров определяются симметрией и степенью близости системы к струтурному фазовому переходу.

6. Продемонстрировано, что предложенный подход позволяет описать в рамках единого гамильтониана не только связанные с мягкой модой аномалии длинноволновых поперечных фононов. Предложенная модель демонстрирует количественное описание и двух других типов аномалий дисперсионных ветвей (сильное смягчение длинноволновых продольных колебаний, перегибы поперечных оптических фононов в Д и X направлениях), для обьяснения которых во всех предшествующих подходах предлагались механизмы, не связанные с близостью к структурному переходу.

7. Рассчитаны фононные спектры сегнетоэлектрических соединений РЬБ и РЬТе в высокосимметричных направлениях при комнатной температуре. Теоретические результаты находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

8. Рассчитана температурная зависимость дисперсионных кривых РЬТе в высокосимметричных направлениях. Расчет показывает, что в соответствии с экспериментальными данными, изменение температуры существенно влияет только на связанные с мягкой модой длинноволновые поперчные оптические фононы, в то время как остальные колебательные частоты практически не зависят от температуры. Таким образом, предлагаемая модель микроскопически обосновывает тот факт, что именно длинноволновые поперечные колебания играют роль мягкой моды в сегнетоэлектри-ческой нестабильности кубических IV-VI сегнетоэлектриков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Максименко, Оксана Борисовна, 1997 год

1. Holloway Н., (1980), Thin Solid Films 11,105

2. PreierH., (1979), Appl.Phys. 20,189

3. Берсукер И.Б., Эффект Яна-Теллера и вибронные взаимодействия в современной химии, Наука (1987)

4. Lines М.Е.,Glass A.M.,(1977),Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials, The Int. Series of Monographs on Physics (Clarendon,Oxford)

5. Kawamura H., (1980) : In Narrow-gap Semiconductors, Physics and Applications, Lecture Notes in Physics,Vol.133,ed. by W. Zawadzki

6. Springer,Berlin, Heidelberg,New York), p.170

7. Valasek J., (1920), Phys.Rev.,15,537

8. Гинзбург В.II., Успехи физ.наук, (1949),38,490

9. Андерсон П., Физика диэлектриков , изд. Академии наук СССР, Москва (1960),стр.290

10. Cochran W., Adv.Phys.,(1961),10,401

11. Scott J.F., In: Light Scattering near Phase Transition, Ed. Cummins H.Z. and Levahyuk A.P., North-Holland Publ.Co., Amsterdam/New York/Oxford,(1983), p.291

12. Смоленский Г.А., Боков В.А. и др., Сегнетоэлектрики и анти-сегнетоэлектрики, изд. Наука, Ленинград,(1971)

13. Bruce A. and Cowley R., Structural Phase Transition, Taylor and Francis Ltd., London (1981)

14. Вакс В.Г., Введение в микроскопическую теорию сегнетоэлек-триков, изд. Наука, Москва, (1973)

15. К wok Р.С. and Miller P.B., Phys.Rev,(1967), 151,387

16. Cowley R.A.,Phil.Mag.,(1966), 11,673

17. Slater J.C., Phys.Rev.,(1950),78,748

18. Jahn H. and Teller E.,Proc.Roy.Soc.,(1937),A161,220

19. Sturge M.D., Solid State Phys.,(1967),20,91

20. Кристофель H.H., Теория примесных центров малых радиусов в ионных кристаллах, изд. Наука, Москва, (1974) Stoneham A.M., Theory of Defects in Solids ,Clarendon Press, Oxford, (1975)

21. Берсукер И.Б. и Полингер В.З., Вибронные взаимодействия в молекулах и кристаллах , изд. Наука, Москва , (1983) Birman J., Phys.Rev.,(1962),125,1959; (1962),127,1093 Кристофель Н.Н.,Физ.Тв.Тела,(1964),6,3266 Wojtowicz P., Phys.Rev.,(1959),116,32

22. Born M. and Huang K.,(1954), The Dynamical Theory of Crystal Lattices, Oxford University Press, Oxford

23. Фридкин B.M., Сегнетоэлектрики-полупроводники, изд. Наука, Москва , (1976)

24. Фридкин В.М., Фотосегнетоэлектрики, изд. Наука, Москва , (1979)

25. Аксенов В.Л., Плакида Н.М. и Стаменкович С.И., Рассеяние нейтронов сегнетоэлектриками, Энергоатомиз-дат,Москва,(1984)

26. Кочслап В.А, Соколов В.Н. и Венгалис Б.Ю., Фазовые переходы в полупроводниках с деформационным электрон-фононным взаимодействием, изд. Наукова Думка, Киев,(1984)

27. Kobayashi K.L.J.,Kato Y. and Komatsubara K.F. , Progr. Crystal Growth Charact., 1, 117, (1988)

28. Bussmann-Holder A.,Bilz H. and Vogl P.,(1983) Dynamical Properties of IV-VI Compounds (Berlin: Springer)

29. Kristoffel N. and Konsin P., Phys.Stat.Sol.(b),149, 11, (1988)

30. Axe J.D., Iizumi M. and Shirane G., (1980), Phys.Rev. B, 22, 3408

31. Bussmann-Holder A., Bilz H., Kress W. and Schroder U.,(1981), Physics of Narrow Gap Semiconductors (Berlin: Springer) 257

32. Bersuker I.B. and Vechter B.G.,(1967), Sov.Phys.Tverd.Tela, 9, 2652

33. Kristoffel N.N. and Konsin P.I.,(1973), Ferroelectrics,6,3

34. Maksimenko O.B.,Mishchenko A.S., "On the pseudo-Jahn-Teller nature of the IV-VI compounds phonon spectra anomalies", Solid State Com.,(1994),V.92,N 10, p.797-802.

35. Максименко О.Б.,Мищенко А.С., "Особенности динамики решетки IV-VI соединений", Тезисы 14-й Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, (1995), Часть 1, с.28

36. Максименко О.Б.,Мищенко А.С., "Фононный спектр и неупругое рассеяние нейтронов на системах с изменяемой валентностью" , Препринт ИАЭ, N ИАЭ-5949/9,М.,(1995)

37. Maksimenko O.B.,Mishchenko A.S., "The nature of the phonon dispersion relation anomalies of IV-VI compounds", J.Phys.:Condens. Matter, (1997), V.9,N 26,pp 5561-5574

38. Максименко О.Б.,Мищенко А.С., "О псевдо-ян-теллеровской природе фононных аномалий IV-VI соединений", Кристаллография, (1997), N4, с.604-610

39. Littlewood P.B.,(1980), J. Phys.C: Solid State Phys.,13, 4855

40. Littlewood P.B.,(1980), J. Phys.C: Solid State Phys.,13, 4875

41. Greaves G.N., Elliot S.P., Davis E.A., (1979), Adv.Phys., 28, 49

42. Bilz H. and Kress W., (1979), Phonon Dispersion in insulators, (Berlin: Springer)

43. Tindemans-van Eijndhoven J.C.M., Kroese C.J., J.Phys. C., (1975), V.8., p.3963

44. Петрашень M.И., Трифонов Е.Д., Применение теории групп в квантовой механике, Москва: Наука, (1967)

45. Allen Р.В., Phys.Rev. В., (1977), V.16, р.5139

46. Bilz H., Kress W., Phonon dispersion relations in insulators., (Berlin. Springer), (1979)

47. Кикоин К.A., Мищенко A.C., ЖЭТФ, (1988), V.94, p.237

48. Kikoin К.A., Mishchenko A.S., J. Phys. C.M., (1990), V.2., p.6491

49. Mishchenko A.S., Kikoin K.A., J. Phys. C.M., (1991), V.3.,p 5937

50. Марадудин А., Дефекты и колебательный спектр кристаллов. Теоретические и экспериментальные аспекты влияния точечных дефектов и неупорядоченностей на колебания кристаллов, Москва: Мир. 1968.

51. Fisher К., Bilz H., Haberkorn R., Webber W., Phys.Stat.Sol. В., (1972),V.54,p.285

52. Cochran W., Cowley R.A., Dolling G. and Elcombe M.M., (1966), Proc.R.Soc. A,293, 433

53. Woods A.D.B., Cochran W. and Brockhouse B.N.,(1960), Phys. Rev., 119, 980

54. Cowley R.A., Cochran W., Brockhouse B.N. and Woods A.D.В.,(1963), Phys. Rev., 131, 1030

55. Singh R.K. and Singh K.R.,(1981), Phys. Status Solidi B,106, 229

56. Mishchenko A.S., (1991), J.Moscow Phys.Soc., 1, 407

57. Weber С., Sigmund E. and Wagner M., Phys. Stat. Solidi B, (1986), 138, 661

58. Elcombe L.L.,(1967), Proc. R. Soc. A, 300, 210

59. Maradudin A.A. and Vosco S.H., Rev.Mod.Phys., 40,1,(1968)

60. Warren J.L. and Worlton T.G., Computer Phys. Commun.,8,71,(1974)

61. Б.А.Волков, И.В.Кучеренко, В.Н.Моисеенко, А.П.Шотов, Писма в ЖЭТФ, 27, 396,(1978)

62. Suski Т., Dmowski L. and Baj М., (1981), Solid State Comm.,38,59

63. W.J.Daughten, E.Giirmen, C.W.Tompson, Proc. Conf. Neutron Scattering, Vol.1, ed. by R.M.Moon, (Gatlinburg, Usa 1976),p.145

64. Bilz H., Büttner H., Bussmann-Holder A., Kress W. and Schröder U., (1982), Phys.Rev.Lett.,48,264

65. Alperin H.A., Pickart S.J. and Rhyme J.J., (1972), Phys. Lett., 40A, 295

66. Rabe K.M. and Joannopoulos J.D., (1985), Phys. Rev. B, 32, 2302

67. Bilz H., (1972), Computational Solid State Physics Plenum, New York

68. Weiss L., (1975), privat communication