Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
При рассмотрении неупругости кристаллов обычно учитывают следующие механизмы: внутреннее трение, обусловленное точечными дефектами (в том числе структурными примесями); релаксация по границам зерен и неоднородностей; внутреннее трение, связанное с дислокациями; релаксационные потери, связанные с диффузией междуузельных атомов и вакансий. Все эти механизмы приводят к различного рода релаксационным явлениям в кристаллических материалах, которые могут быть охарактеризованы их релаксационным спектром, т. е. совокупностью времени релаксаций 2т;. Таким образом, если релаксация явления ?
в твердом теле (в данном интервале температур) отсутствует, то внутреннее трение монотонно изменяется с температурой, а при наличии релаксационных явлений на температурно-дисси-пативной (или частотно-диссипативной) кривой возникают максимумы внутреннего трения. При этом необходимо учитывать, что увеличение набора времени релаксаций приводит к «размытию» таких максимумов или же потери в целом начинают носить квазирелаксационный характер.
Данные гл. 4 показывают, что особенности дислокаций ростового типа, отсутствие дислокаций деформационного типа и пластичности при обычных температурах (т. е. при 7<800 К) делает невозможным приписывание сколько-нибудь значительной
139 ¦1
f
.-1
10'
-з
<0
10
-5
U_' ' і_1_
73 123 173 223 273 Г, К
73 123 173 223 273 Т. К
Рис. 42. Графики зависимости величины внутреннего трения от температуры
в синтетическом кварце из пирамид <с> (а) и <г> (б):
1—4 — номера образцов. Представлены образцы с различными скоростями роста
роли дислокаций (т. е. дислокационного затухания) в механизме внутреннего трения. Следует отметить, что делались многочисленные попытки объяснить внутреннее трение и, в частности, амплитудную зависимость внутреннего трения в рамках струнной модели дислокации. Однако результаты изучения внутреннего трения и амплитудной зависимости внутреннего трения для кристаллов с различной плотностью дислокаций (включая бездислокационный) убедительно, как и следовало ожидать, опровергли эти предположения. В частности, было показано, что амплитудная зависимость внутреннего трения связана главным образом с решеточным энгармонизмом. Таким образом, в кварце основными механизмами внутреннего трения являются потери, связанные с точечными дефектами, а также с рассеянием на границах неоднородностей и включений и, наконец, потери, связанные с диффузией междуузельных (щелочных) ионов. Рассмотрение потерь, обусловленных точечными дефектами, было проведено в гл. 3. Отметим, что потери, связанные непосредственно с диффузией щелочных ионов, начинают давать преобладающий вклад при повышенных температурах. Диссипация энергии на неоднородностях и включениях носит зачастую нерелаксационный характер, и, кроме того, наличие последних в кристалле определяет изменения энергии активации для дефектов точечного типа. В дальнейшем изложении будет просто рассматриваться, как влияют условия роста на величину добротности при комнатных температурах и на характер температурной зависимости добротности кварцевых пьезоэлементов.
На рис. 42, а, б показана зависимость величины внутреннего трения от температуры для образцов синтетического кварца из пирамид роста пинакоида и ромбоэдра, причем скорость роста образцов № 2 и № 3 в два и три раза больше, чем скорость роста образца № 1. Как видно из графиков, присутствие неструктурной примеси приводит к диффузному рассеиванию энергии, что 140 проявляется в возрастании общего уровня внутреннего трения во всей исследованной температурной области. Эти опыты были проведены для кристаллов, полученных при вертикальной завеске кристаллов. В случае же горизонтальной завески и так называемого экранированного роста эта зависимость существенно другая, поскольку такой кварц механических примесей захватывает значительно меньше, чем при вертикальной завеске, а следовательно, изменение внутреннего трения в кристалле идет главным образом за счет различной концентрации структурных примесей (Ai) (см. гл. 3).
В ряде систем роста (КОН, K2CO3, RbOH, CsOH, NH4F и др.) щелочные ионы отсутствуют, а следовательно, растущие кристаллы их не захватывают. В этом случае температурная зависимость добротности носит другой характер, а именно: экспоненциальный рост потерь сдвигается в высокотемпературную область. В этих же растворах, а также в натрийсодержащих системах с добавкой солей лития можно добиться значительного снижения количества структурной примеси алюминия, а следовательно, и уменьшения потерь на внутреннее трение. Так, было показано, что для пьезоэлементов, полученных из кристаллов кварца, выращенных в системе NaOH или NajCOs с добавкой солей LiNO3 (в концентрации 0,1 N) и при малых скоростях роста (<0,2—0,3 мм/сут), были получены добротности до 2— 3-Ю6 (измерения велись на 5 МГц), что соответствует лучшим природным образцам бразильского кварца. Следует отметить, что кристаллы, полученные в тех же условиях, но без введения добавок солей лития, имели добротность в 3—4 раза меньше. Рассматривая зависимость добротности от температуры роста, необходимо учитывать изменение скорости роста и все возрастающую вероятность потери морфологической устойчивости рассматриваемой пирамиды роста. В последнем случае происходит захват структурных и неструктурных примесей в концентрациях, не характерных для данной пирамиды роста.
