УДК 546.34:548.55:004.942
Моделирование энергетически равновесного кластерообразования в кристалле ниобата лития
, ,
академик
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. Кольского научного центра РАН, г. Апатиты
E-mail: *****@***ru
В прикладном плане кристаллохимия развивается в настоящее время в двух направлениях. Первое направление – создание монокристаллов с высокооднородной и высокосовершенной структурой для преобразования оптического излучения. Это направление базируется на традиционном физическом материаловедении, когда работает триада: «состав – структура –свойства». Реальная же структура материалов, сформировавшаяся к концу процесса их получения, реализуется в твердом состоянии как микро - и наноструктура.
Второе направление, появившееся в последние годы – получение монокристаллических материалов с микро - и наноструктурами, когда работает триада «состав – фрактальная структура – свойства». Тип и размерность микро - и наноструктур существеннейшим образом определяют физические характеристики твердотельных материалов. Для разработки технологий получения конструкционных, электронных и оптических материалов с заданными характеристиками весьма актуальными становятся комплексные экспериментальные и теоретические исследования эволюции упорядоченных и неупорядоченных микро - и наноструктур во взаимосвязи с закономерностями формирования физических свойств материалов. Второе направление требует разработки эффективных экспериментальных и теоретических методов исследования структурированности кристалла (кластеров, фракталов, наноразмерных микронеоднородностей структуры и т. д.). Разработка этих методов открывает хорошие возможности увязать кристаллохимию с областью нанотехнологий – наиболее передовым, перспективным и значимым современным и фьючерсным направлением.
Сегнетоэлектрические монокристаллы ниобата лития (LiNbO3) отличаются глубокодефектной и сильно неоднородной структурой. В кристаллах, помимо точечных дефектов катионной подрешетки, экспериментально обнаружены фракталы, слои, в том числе слои нанометровой толщины, микронеоднородности, состав и строение которых существенно отличаются от основной структуры. Вопрос о пространственной неоднородности монокристаллов ниобата лития нуждается в проведении специальных исследований, нацеленных на изучение состава и структуры и условий формирования материала, а также механизмов и процессов упорядочения структурных единиц на наноразмерном уровне.
Ранее нами было выполнено моделирование тонких особенностей структуры при формировании в процессе роста сегнетоэлектрической фазы кристалла ниобата лития (LiNbO3) энергетически равновесных кислородно-октаэдрических кластеров в зависимости от отношения Li/Nb [1-4]. При этом полученные результаты были сопоставлены с данными вакансионных сплит-моделей в рамках полуклассической атомистической модели. В данной работе выполнено моделирование структурных искажений кристаллической структуры при формировании в процессе роста кристалла LiNbO3 стехиометрического состава (Li/Nb=1) энергетически равновесных дипольных кислородно-октаэдрических кластеров.
При выполнении условия электронейтральности в идеальной структуре количество ионов кислородов, использованных в системе для построения такого кластера, равно количеству октаэдров. Однако, в зависимости от способа объединения кислородных октаэдров, количество употребленных ионов кислорода на каждый октаэдр может быть уменьшено. В качестве приближения была взята структура сетки в виде параллелограмма, что существенно упрощает расчеты из-за того, что параллелограммы, составленные из прямых и обратных треугольников, зеркально симметричны. В результате была получена функция, описывающая зависимость количества кислородных октаэдров от количества кислородных слоев кластера структуры ниобата лития. Показано, что функция имеет минимум, что позволяет определить минимальный наиболее энергетически выгодный размер кластера в структуре.
Выводы
Моделирование особенностей кристаллической структуры показало, что при формировании энергетически равновесных дипольных кислородно-октаэдрических кластеров в сегнетоэлектрической фазе кристалла ниобата лития стехиометрического состава, получается функция, описывающая зависимость количества кислородных октаэдров от количества кислородных слоев кластера структуры ниобата лития, которая имеет минимум, что позволяет определить наиболее энергетически выгодный минимальный размер кластера.
ЛИТЕРАТУРА
1. V. M. Voskresenskiy, O. R. Starodub, N. V. Sidorov, M. N. Palatnikov, K. Bormanis. Modelling of Cluster Formation in Optically Nonlinear Lithium Niobate Crystal. Integrated Ferroelectrics, 2011, 123, 66-74.
2. , , . моделирование кластерообразования в нелинейнооптическом кристалле ниобата лития//Кристаллография. 2011. Т. 56. № 1. С. 26-32.
3. , , . Компьютерное моделирование упорядочения структурных единиц и кластеров в кристаллах ниобата лития. Журнал Цветные металлы. 2012. № 9. С.64-68
4. , , Моделирование структурного беспорядка в катионной подрешетке ниобата лития // Журнал «Новi технологii», 2010, Кременчуг, №2(28). С.29-35
