Садовская Л.Я., Боцьва Н.П., Елина Е.В., Гоман А.А.

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРАЯ СОБСТВЕННОГО

ПОГЛОЩЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ SrTeO₃

Одним из методов регистрации и идентификации фазовых переходов (ФП) является исследование оптических свойств кристаллов в области края фундаментального поглощения [1].

В данной работе приведены результаты изучения температурной зависимости края поглощения в области низкотемпературного фазового перехода (340 К) в кристаллах SrTeO₃, где имеют место ряд фазовых переходов, в том числе и сегнетоэлектрических [2]. Измерения осуществлялись на спектрофотометре СФ-16 в неполяризованном свете на полированных образцах толщиной 0,15-0,3 мм. Значение ширины запрещенной зоны Е_g определялось по положению края собственного оптического поглощения. С этой целью анализировалась форма края и характер межзонных переходов [3]. Определение характера изменения Е_g с температурой проводились по температурным смещениям точки с определенным значением коэффициента пропускания (обычно 3-4 %). Стабилизация температуры составляла ~ 0,5^о_.

Согласно полученным данным исследования величина Е_g уменьшается с ростом температуры. В области 340 К имеет место скачкообразное уменьшение Е_g на ~ 0,045 эВ. Также четко видны аномалии в районе 340 К на температурной зависимости коэффициента поглощения L при длинах волн, близких к краю собственного поглощения (рис.1). Здесь имеет место скачок L на ~ 30% при λ = 0,326 мкм. При охлаждении образца резкое уменьшение L наблюдалось в районе 300-296 К.

Аналогичные эффекты в поведении температурной зависимости Е_g и коэффициента поглощения наблюдались в ряде кристаллов при структурных ФП [1]. ФП оказывает влияние на электронные процессы в кристалле, приводя к изменению Е_g и L. Обычно при термодинамическом рассмотрении состояния системы вкладом электронов в свободную энергию кристалла при температурах выше температуры Дебая пренебрегают. Однако в области ФП этот вклад становится существенным. Термодинамическая теория ФП для сегнетоэлектриков с учетом вклада электронной подсистемы в рамках феноменологической теории Ландау показывает, что в сегнетоэлектриках (собственных и несобственных) ФП 1-го рода сопровождается скачком Е_g, а ФП 2-го рода – скачком коэффициента изменения Е_g с температурой и давлением.

В общем случае температурная зависимость края собственного поглощения определяется расширением решетки при нагревании кристалла и изменением электрон-фононного взаимодействия [1,3] . Так как оба члена линейно связаны с теплоемкостью кристалла (согласно соотношению Кейса (∂Е_g / ∂Т) ~ С_v), то выводы , полученные из термодинамической теории сегнетоэлектриков, являются справедливыми и для других, несегнетоэлектрических ФП. Эти теоретические представления подтверждены экспериментально полученными данными для ряда кристаллов [1].

Рис.1. Температурная зависимость коэффициента поглощения L

кристаллов SrTeO₃ в области ФП 1-го рода..

Толщина образца 0,2 мм , длина волны 0,325 мкм

Характер аномалий Е_g(Т) и L(Т) в SrTeO₃, т.е. их скачкообразное изменение, являются типичными для ФП 1-го рода, что подтверждается также термодинамическим гистерезисом изменения Е_g и L. При нагревании скачок Е_g и L происходит при 343-345 К, а при охлаждении – при 296-300 К.

Обращают на себя внимание максимумы на кривой L(Т), сопровождающие скачок поглощения и имеющие место как при нагревании, так и при охлаждении образца. В сегнетоэлектриках с размытым ФП в области средней температуры Кюри, также наблюдались при λ, близких к краю фундаментального поглощения, максимумы в зависимости поглощения от температуры, которые можно связать с увеличением рассеяния света на границах между сегнето- и параэлектрической фазами и на границах между доменами. Поскольку максимальное количество границ имеется при средней точке Кюри, то здесь и проявляется максимум в зависимости L(Т). Максимумы поглощения света отмечены и в кристаллах с четким ФП – в BaTiO₃, в области, где образуется доменная структура типа сетки Форсберга [4].

В SrTeO₃ при ФП 1-го рода наблюдается гетерофазная структура [2], наличие которой, вероятно, и обусловливает дополнительное рассеяние света (L ~ 2%). Так как SrTeO₃ является одноосным сегнетоэлектриком, доменная структура не должна существенно влиять на результаты измерения края собственного поглощения, поскольку домены здесь оптически не различимы. Поэтому наиболее вероятным является рассеяние света на границах сосуществующих фаз при ФП 1-го рода.

Спектральную характеристику края собственного поглощения SrTeO₃ не удается описать экспоненциальной зависимостью. Однако обнаружено, что в интервале энергий 3,6-4,1 эВ наблюдаются участки, описываемые зависимостями оптической плотности D степенного характера (D(hν) и D(hν)). Экстраполяцией линейной части зависимости D(hν) к нулю можно оценить ширину запрещенной зоны Е_g. При комнатной температуре Е_g = 4,02±0,04 эВ. Отсутствие данных о зонной структуре кристалла и отражении света в области края собственного поглощения, а также относительно большая толщина образцов не позволяют в настоящее время сделать окончательный вывод о характере электронных переходов в материале.

Описание Е_g(Т) через изменение положения точки с определенным значением L в некоторых случаях может приводить к неправильным результатам. Например, в случае непрямых переходов при изменении формы края собственного поглощения. Учитывая выводы термодинамической теории сегнетоэлектриков, аномалии Е_g в SrTeO₃ следует ожидать при сегнетоэлектрическом ФП 1-го рода (585 К), где скачком возникает спонтанная поляризация. Вместе с тем, характер зависимости Е_g(Т) показал, что в области 585 К изменения Е_g или ∂Е_g / ∂Т практически не наблюдаются. Лишь на отдельных образцах при этой температуре обнаруживались аномалии в виде скачкообразного изменения измеряемой величины Е_g. При этом зависимости Е_g(Т) при нагревании и охлаждении не совпадали. Имели место также аномалии типа, приведенного на рис.1.

Наблюдаемые эффекты позволяют сделать следующее заключение. Хотя скачок Е_g при ФП 2-го рода не обнаруживается, в отдельных случаях фазовое превращение находит отражение на кривых Е_g(Т) и L(Т) за счет дополнительного рассеяния света на границах гетерофазной структуры [1]. Надо отметить, что описанные эффекты характерны для образцов SrTeO₃ любой кристаллографической ориентации.

.

Литература

1. Фридкин В.М. Сегнетоэлектрики-полупроводники.- М.:Наука, 1976.–408 c.

2. Термодинамический анализ фазовых переходов в SrTeO₃ // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка, 2010, вип.17, т.2, с.40-44.

3. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. – М.: Наука, 1977. – 366 с.

4. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / Г.А.Смоленский, Б.А.Боков, В.А.Исупов и др. – Л.: Наука, 1971.–476 c.