Эволюция доменной структуры кристалла BaTiO3 при фазовых переходах

Эволюция доменной структуры кристалла BaTiO₃ при фазовых переходах

 

Реальные кристаллы, используемые на практике, содержат множество дефектов различного характера, что и определяют их практическое применение. Стремительное развитие современной микроэлектроники побуждает к поиску новых кристаллических систем с подходящими параметрами. Поэтому изучение особенностей фазовых превращений и структурных изменений, зависящих от дефектов, является актуальной темой в современном мире. С момента появления сканирующей зондовой микроскопии, работающей в режиме силой микроскопии пьезоотклика, стало возможным наблюдение доменной субструктуры сегнетоэлектрических материалов в широком интервале температур, при этом не разрушая образец.

Объектом исследования выбран классический сегнетоэлектрик – кристалл титанат бария. С помощью оптического микроскопа получены оптические изображения состояния поверхности исследуемых образцов, для которых характерна дендритная структура поверхности, а также спектры комбинационного рассеяния света, на которых наблюдаются характерные для тетрагональной фазы пики на 303, 521, 725 см^-1.

На сканирующем зондовом микроскопе MFP-3D Stand Alone (Asylum Research, США), оборудованном температурной приставкой, выполнены циклы нагрева и охлаждения кристалла BaTiO₃, преодолевающие температуру фазового перехода (~120 ºC), получены изображения доменной структуры образца методом силовой микроскопии пьезоотклика (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Эволюция доменной структуры в кристалле BaTiO3 в процессе нагрева/охлаждения

 

Также проведены исследования визуализации поверхности и изображений доменной структуры кристалла BaTiO₃ в режиме «in-situ» при охлаждении из пара- в сегнетоэлектрическую фазы. Из эксперимента установлено, что для титаната бария наблюдается резкий скачок поверхности и амплитуды сигнала пьезоотклика (поляризации) при температуре Tк ~ 105 ºС. На дифференциальном сканирующем калориметре получены спектры, аномалии на которых приписываются сегнетоэлектрическому фазовому переходу I рода. Значения температур фазового перехода для BaTiO₃ при нагреве и охлаждении не совпадают, наблюдается температурный гистерезис ΔТ=7 ºС.