Сегнетоэластики (ферроэластики). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сегнетоэластики (ферроэластики) - кристаллические вещества, в которых при понижении температуры возникает спонтанная деформация кристаллической решётки относительно исходной в отсутствие внеш. механич. напряжений. Термин "сегнетоэластики" ввёл К. Айдзу (К. Aizu) в 1969. Спонтанная деформация является результатом структурного фазового перехода из более симметричной (параэластич.) в менее симметричную (сегнетоэластич.) фазу. Напр., кубич. сингония переходит в тетрагональную, гексагональная или тетрагональная - в ромбическую или моноклинную, ромбическая - в моноклинную (см. Сингония).

При сегнетоэластич. переходе кристалл без разрыва своей сплошности теряет ориентац. однородность и разбивается на сегнетоэластич. домены, каждый из к-рых принадлежит к одному из нескольких (двух, трёх - в зависимости от изменения симметрии) состояний, отличающихся ориентацией кристаллич. решётки (рис. 1, 2). Возникновение сегнетоэластич. (ориентац.) доменов можно рассматривать как частный случай механич. двойникования, причём элементами двойникования служат утраченные при переходе элементы поворотной (точечной) симметрии (см. Симметрия кристаллов ).В прозрачных С. доменную структуру можно наблюдать с помощью оптич. поляризац. микроскопа благодаря разориентации оптич. индикатрис или разл. двойному лучепреломлению доменов. Наличие ориентац. доменов - характерный признак сегнетоэластич. фазы.

Домены могут «переключаться» из одного ориентац. состояния в другое под действием механич. напряжений определённой величины и направления. Процесс переключения может происходить, напр., путём рождения тонких клиновидных или линзообразных доменов с последующим их ростом и движением регулярных плоских или зигзагообразных доменных границ или путём перемещения одной доменной границы.

Рис. 1. Искажение кубической ячейки при сегнетоэла-стическом переходе в тетрагональную сингонию (три ориентационных состояния).

В отличие от линейно упругих материалов или от веществ со слабой упругой нелинейностью, зависимость макроскопич. деформации С. от приложенного механич. напряжения линейна лишь значительно выше

Рис. 2. Искажение ромбической ячейки при переходе в моноклинную сингонию (два ориентационных состояния).

температуры перехода Т_к и приобретает существенно нелинейный характер в параэластич. фазе вблизи Т_к, переходя в петлю гистерезиса (см. Гистерезис упругий)в сегнетоэластич. фазе (рис. 3). По петле гистерезиса можно определить величину спонтанной деформации х (для С. характерны большие величины х ~10^-3-10^-1) и т.н. коэрцитивного напряжения Х_к, при к-ром происходит переключение доменов. Значения Х_к варьируются в пределах от 10⁵-10^s Па для «эласто-мягких» С. до 10⁸ Па для «эластожёстких». С. являются упругими аналогами сегнетоэлектриков и ферромагнетиков (см. Ферроики).

Рис. 3. Зависимость деформации х от напряжения X ри Т > Т_к (1); вблизи Т_к (2) и при Т < Т_к (3).

Анализ сегнетоэластич. фазовых переходов и аномалий упругих свойств С. базируется на феноменологич. теории фазовых переходов. Исходным пунктом его является построение термодинамич. потенциала Ф, зависящего от параметра порядка

, являющегося внутренней микроскопич. переменной, характеризующей изменение пространственной симметрии кристалла (точечной и трансляционной) при фазовом переходе.

Параметр порядка

при Т > Т_к и

при Т < Т_к. Вблизи Т_к параметр ц мал и термодинамич. потенциал может быть разложен по степеням

Здесь Ф₀ - не зависящий от

потенциал в исходной фазе, r - параметр, зависящий от температуры Т. Равновесное значение параметра порядка определяется из условия

. Потенциал Ф содержит также члены, характеризующие связь

и х (в общем случае

и х - многокомпонентные величины). Характер связи зависит от изменения симметрии - не только точечной, но и трансляционной. Если параметр порядка

и спонтанная деформация х преобразуются операциями симметрии одинаково, то С. наз. собственным. При собств. сегнетоэластич. переходе изменяется только точечная симметрия кристалла, но не меняется трансляционная. При несобств. сегнетоэластич. переходе меняется также и трансляц. симметрия, а объём элементарной ячейки увеличивается (умножается). При этом помимо ориентационных возникают также трансляционные (антифазные) домены.

Термодинамич. анализ потенциала Ф позволяет описать аномалии разл. свойств в окрестности температуры Т_к - скачок теплоёмкости С_р, температурные зависимости деформации х (коэф. теплового расширения

), поляризации Р (если сегнетоэластич. фаза обладает сегнетоэлектрич. свойствами), упругих местностей с или податливостей s, диэлектрич. проницаемостей е и т. д. При этом вид аномалий для собственных и несобственных С. различен (рис. 4). При фазовом переходе 2-го рода в собств. С. при Т < Т_к сдвиговая спонтанная деформация изменяется с Г по закону

, а в несобственном - как

. Соответствующая компонента жёсткости в собств. С. ведёт себя как (Т - Т_к)выше и ниже Т_к, т. е. при

в обеих фазах наблюдается уменьшение жёсткости с и падение скорости звука. В несобств. С. этого не происходит и при Т_к наблюдается скачок и(или) изменение температурного коэф. жёсткости.

Рис. 4. Температурные зависимости теплоёмкости С_р, спонтанной деформации х и упругой жёсткости с при собственном (а, б, в) и несобственном (г, д, е) сегнетоэластических переходах.

В отличие от феноменелогич. теории, микроскопич. теория конкретизирует механизм фазового перехода и рассматривает взаимодействие частиц, составляющих кристаллич. решётку, с учётом её трансляц. симметрии. Как и в случае сегнетоэлектриков, различают С. типа смещения и типа порядок - беспорядок.

С.- многочисл. класс кристаллов, претерпевающих структурные фазовые переходы. Кристаллохим. классификация С. группирует их по типу пространственной укладки «эластоактивных» высокосимметричных (октаэдрических или тетраэдрических) анионных или катионных комплексов, повороты или деформация к-рых могут приводить к понижению симметрии кристалла. Структурная классификация С. обычно указывает структурный тип «родоначальника» семейства изоморфных кристаллов (интернациональное назв. минерала). Семейства С. образуют пальмиериты [Рb₃(РО₄)₂], фергюсониты (BiVO₄), тейлориты (К₂СrО₄), тридимиты (CsLiSО₄), лангбейниты (K₂Cd₂SO₄), двойные тригональные молибдаты и вольфраматы [KFe(MoO₄)₂], редкоземельные пентафосфаты (LaP₅О₁₄), фресноиты (Ba₂TiGe₂О₈), дителлуриты (SrTe₂О₅), семейство K₄Zn(MoO₄)₃, С. с водородными связями Н₃ВО₃, KH₃(SeO₃)₂, перовскиты (KMnF₃) и эльпасолиты (Cs₂NaNdCl₆), каломель (Hg₂Cl₂).

Свойства С., и особенно С--сегнетоэлектриков, обусловливают их применение. Напр., на основе редкоземельных молибдатов, в частности молибдата гадолиния, разработаны акустоэлектронные устройства, в к-рых используется взаимодействие распространяющейся акустич. волны с одиночной доменной стенкой или с регулярной полидомённой структурой. Они управляются электрич. полем или механич. напряжением. С. обладают высокой акустооптич. эффективностью (см. Акустооптика ).Сегнетоэластич. фазовые переходы испытывают многие кристаллы - высокотемпературные сверхпроводники, а также ионные суперпроводники.

Литература по сегнетоэластам (ферроэластикам)

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.