Анотація до роботи:

Смоланка О. М. Екситони і фазові переходи в шаруватому сегнетоеластику Cs₃Bi₂I₉. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України. – Київ, 2005.

У дисертації представлено результати комплексних експериментальних досліджень кристалів шаруватого сегнетоеластика Cs₃Bi₂I₉ методами низькотемпературної спектроскопії відбивання і комбінаційного розсіювання світла (КРС).

Знайдено фундаментальні оптичні характеристики та побудовано діаграми Арганда ₂ = f (₁) кристалів Cs₃Bi₂I₉ в моноклінній і гексагональній фазах. Розроблено самоузгоджений метод однозначного поділу складних спектральних контурів на окремі складові шляхом комп’ютерного моделювання дійсної ₁(E) і уявної ₂(E) частин комплексної діелектричної проникності (E) з урахуванням сингулярностей Ван Хова, що дозволило визначити параметри критичних точок та їх природу.

Вперше для шаруватих кристалів виявлено нетрадиційний температурний зсув краю фундаментального поглинання сегнетоеластика Cs₃Bi₂I₉. Показано, що цей ефект обумовлений належністю даних кристалів до звичайних у моноклінній фазі та шаруватих у гексагональній. Зареєстровано перехідну область в інтервалі температур 150–220 К, що складається з двох областей: гетерофазної (183–220 К) і залишкових внутрішніх напружень у моноклінній фазі (150–183 К); та зміну характеру екситон-фононної взаємодії з ростом температури від слабкої до сильної в околі 150 К. З’ясовано природу ліній КРС і знайдено давидівські дублети. Встановлено належність структурного фазового переходу при Т_С=220 К до фазових переходів першого роду, що є близькими до другого. Вперше виявлено гігантський термодинамічний оптичний ефект та дано його пояснення на основі залежності показника заломлення від температури через появу і зміну з температурою параметра порядка (спонтанної деформації x_СП (Т)). Запропоновано на основі цього ефекту оптичний аналог транзистора.

У дисертації наведено результати комплексних експериментальних досліджень кристалів шаруватих сегнетоеластиків Cs₃Bi₂I₉, що дозволило виявити нові фізичні ефекти; отримати інформацію про особливості оптичних властивостей, обумовлених екситонними, електронними і фазовими переходами; запропонувати практичні застосування.

1. Розраховано фундаментальні оптичні характеристики та побудовано діаграми Арганда ₂ = f (₁) кристалів Cs₃Bi₂I₉ в моноклінній (Т=4.2 К; ) і гексагональній (Т=300К; ) фазах. Розроблено самоузгоджений метод однозначного поділу складних спектральних контурів на окремі компоненти на прикладі моделювання дійсної ₁(E) та уявної ₂(E) частин комплексної діелектричної проникності (E) за певним типом сингулярностей Ван Хова, що дозволило визначити параметри критичних точок і з’ясувати їх природу. Встановлено, що інтенсивна осциляція 2.583 еВ в спектрах відбивання кристалів Cs₃Bi₂I₉ (Т=4.2 К; ) обумовлена дозволеними прямими екситонними переходами n=1, тоді як особливість у вигляді провалу при енергії 2.3 еВ на її довгохвильовому крилі – відбиванням світла від протилежної дзеркальної поверхні зразка, а перегин при енергії 2.67 еВ не відповідає збудженим екситонним станам n=2. Показано, що дві більш короткохвильові смуги 2.971 еВ та 3.087 еВ можна пов’язати з гіперболічними екситонами і міжзонними переходами, відповідно. Оцінено при 4.2 К і ширину прямої забороненої зони (E_g=2.857 еВ) та основні параметри екситонів (Ry^*=279 мeB, f=7.510^–1, _R=1.210^–8 с).

2. Вперше для шаруватих кристалів виявлено нетрадиційний температурний зсув краю фундаментального поглинання сегнетоеластика Cs₃Bi₂I₉ і встановлено, що він добре описується формулою Варшні. Показано, що причина цього явища обумовлена належністю даних кристалів до звичайних у низькотемпературній моноклінній фазі та шаруватих у високотемпературній гексагональній. Зареєстровано для Cs₃Bi₂I₉ перехідну область в інтервалі температур 150–220 К. Показано, що вона складається з двох областей: гетерофазної (183–220 К), де співіснують сегнетоеластична і параеластична фази, та області залишкових внутрішніх напружень у сегнетоеластичній моноклінній фазі (150–183 К). Вперше виявлено експериментально явище зміни характера екситон-фононної взаємодії з ростом температури від слабкої до сильної, що супроводжується зменшенням більше ніж вдвічі (від 105.8 см^–1 до 47.9 см^–1) частоти LO-фононів. Показано, що це явище можна пов’язати з переходом кристала від звичайного до шаруватого в околі 150 К.

3. Встановлено, що лінії в області частот < 105 см^–1, 105 см^–1 < < 130 см^–1 та > 130 см^–1 в спектрах КРС Cs₃Bi₂I₉ обумовлені коливаннями молекулярних іонів [Bi₂I₉]^3– як цілого, деформаційними коливаннями міжоктаедричних зв’язків [BiI₆]^3– – [BiI₆]^3– в середині біоктаедра [Bi₂I₉]^3– та коливаннями валентних зв’язків Bi – I в октаедрі [BiI₆]^3–, відповідно. Виявлено ефект вирівнювання інтегральних інтенсивностей ліній 110.6 см^–1 і 124.7 см^–1 в околі T_C=220 К без будь-яких особливостей в поведінці частот цих ліній внаслідок зміни симетрії кристалічної гратки. Не виявлено ні м’якої моди, ні пом’якшення частот. Знайдено дублети у ліній 36.2, 45.2, 61.4, 68.3 і 97.4 см^–1 в низькотемпературних спектрах КРС Cs₃Bi₂I₉, відстань між компонентами яких зменшується зі зростанням частот ліній. Показано, що ці дублети є давидівськими, які обумовлені нееквівалентним положенням молекулярних іонів [Bi₂I₉]^3– в моноклінній гратці.

4. Проаналізовано відомі та отримані дані для Cs₃Bi₂I₉ і зроблено висновок про належність сегнетоеластичного фазового переходу при Т_С=220 К до фазових переходів першого роду, що є близькими до другого.

5. Вперше виявлено гігантський термодинамічний оптичний ефект, що проявляється як періодичні коливання в часі коефіцієнта відбивання Cs₃Bi₂I₉. Встановлено, що цей ефект обумовлений незначними відхиленнями температури від заданої в термодинамічній системі, проявлення яких в спектрах відбивання сильно підсилюється в точці сегнетоеластичного фазового переходу (Т_С=220К). Запропоновано пояснення знайдених оптичних осциляцій на основі моделі, що враховує залежність показника заломлення від температури через появу і зміну з температурою параметра порядка (спонтанної деформації x_СП (Т)). Показано, що отримані експериментальні дані добре узгоджується з теоретичними розрахунками професора В. Й. Сугакова.

6. Зареєстровано в Cs₃Bi₂I₉ додаткові оптичні осциляції при температурах 145±5175±5 К, причиною появи яких може бути неструктурний фазовий перехід, що обумовлений переорієнтацією напрямків спонтанної деформації в сегнетоеластичних доменах із-за несумісності доменних стінок і, як наслідок, переорієнтацією оптичних індикатрис окремих доменів.

7. Розроблено експресну неруйнівну оптичну методику виявлення та дослідження фазових переходів у сегнетоеластичних кристалах, що відрізняється високою чутливістю до незначних відхилень температури від заданої в термодинамічній системі. Запропоновано оптичний аналог транзистора на основі виявленого гігантського термодинамічного оптичного ефекту.

Публікації автора:

1. Лисиця М.П., Моцний Ф.В., Смоланка О.М., Кун С.В., Переш Є.Ю. Низькотемпературні оптичні характеристики монокристалів Cs₃Bi₂I₉ // Укр. фіз. журн. – 2002. – Т. 47, № 12. – С. 1161–1165.

2. Дорогань В.Г., Лисиця М.П., Моцний Ф.В., Смоланка О.М. Самоузгоджений метод розділення спектрів оптичних функцій на складові // Укр. фіз. журн. – 2003. – Т. 48, № 2. – С. 181–185.

3. Dorogan V.G., Zhydkov V.O., Motsnyi F.V., Smolanka O.M. Analysis of exciton reflection spectrum of 2H–PbI₂ layered single crystals with atomically clean surface // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2003. – Vol. 6, № 3. – P. 346–348.

4. Motsnyi F.V., Peresh E.Yu., Smolanka O.M. Nontraditional temperature shift of the fundamental absorption edge for layered substance and the ferroelastic phase transition in Cs₃Bi₂I₉ // Solid State Communications. – 2004. – Vol. 131., № 7. – P. 469-471.

5. Machulin V.F., Motsnyi F.V., Peresh E.Yu., Smolanka O.M., and Svechnikov G.S. Effect of temperature variation on shift and broadening of exciton band in Cs₃Bi₂I₉ layered crystals // Low Temperature Physics. – 2004. – Vol. 30, № 12. – P. 964–967.

6. Motsnyi F.V., Vuychik M.V., Smolanka O.M., Peresh E.Yu. Phase transition in Cs₃Bi₂I₉ ferroelastic: investigation by Raman scattering technique // Functional materials. – 2005. – Vol. 12, № 3. – P. 491–496.

7. Смоланка О.М., Вірко С.В., Кун С.В. Моцний Ф.В., Переш Є.Ю, Дослідження оптичних властивостей трьохкомпонентних шаруватих кристалів на основі галогенідів вісмуту // Proc. X^th International Scientific and Technical Conference “Complex Oxides, Chalcogenides and Halides for Functional Electronics”. – Uzhgorod (Ukraine). – 2000, 26-29 September. – P. 91.

8. Smolanka O. M., Motsnyi F.V. Study of excitonic spectra of layered single crystals on base of bithmuth halides // Proceedings of the International Young Scientists Conference “Scientific Problems of Optics in XXI Century SPO’2000”. – Kyiv (Ukraine), 5-6 October. – 2000. – P. 64.

9. Smolanka O. M., Lisitsa M.P., Motsnyi F.V., Peresh E.Yu., Kun A.V., Rushchanskii K.Z. The theoretical and optical studies of Cs₃Bi₂I₉ layered single crystals. // Proc. NATO Advanced Research Workshop “Nanostructured materials and coatings for biomedical and sensor applications”. – Kyiv (Ukraine). – 2002, 4-8 August. – P. 117.

10. Smolanka O. M., Lisitsa M.P., Motsnyi F.V., Peresh E.Yu., Kun A.V., Rushchanskii K.Z. Energy band structure, optical characteristics and exciton states of Cs₃Bi₂I₉ layered single crystals // Тези доповідей 1-ї Української наукової конференції з фізики напівпровідників з міжнародною участю. – Том 1. – Одеса (Україна). – 2002, 10-14 вересня. – С. 92.

11. Smolanka O. M., Dorogan V.G., Lisitsa M.P., Motsnyi F.V. Method for dividing of optical function spectra into components // Proceedings of the XVI International School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals". – Sevastopol (Ukraine). – 2003, 25 May–1 June. – P. 346.

12. Motsnyi O.M., Peresh E.Yu., Smolanka O.M. Physical and optical properties of Cs₃Bi₂I₉ layered single crystals // Тези доповідей IV Міжнародної школи-конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. – Дрогобич (Україна). – 2003, 24-27 червня. – C. 167.

13. Smolanka O.M. Modeling of optical function spectra of Cs₃Bi₂I₉ based on Van-Hove singularities // Proceedings of the IV International Young Scientists Conference “Problems of Optics & High Technology Material Science SPO-2003”. – Kyiv (Ukraine). – 2003, 23-26 October. – P. 188.

14. Вуйчик М.В., Мачулін В.Ф., Моцний Ф.В., Переш Є.Ю., Смоланка О.М. Виявлення особливостей в оптичних спектрах сегнетоеластичних кристалів Cs₃Bi₂I₉ // Тези доповідей II Української наукової конференції з фізики напівпровідників. – Том 1. – Чернівці (Україна). – 2004, 20-24 вересня – C. 200.

15. Motsnyi F.V., Smolanka O.M., Peresh E.Yu. Excitons and structure phase transition in Cs₃Bi₂I₉ layered ferroelastic crystals // Proceedings of the XVII International School-Seminar “Spectroscopy of Molecules and Crystals”. – Beregove, Crimea, (Ukraine). – 2005, 20-26 September. – P. 112–113.