Phonon Spectroscopy of Solid Dielectrics

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A method for studying solid dielectrics under conditions of nonstationary propagation of subterahertz phonons is presented. The method analyzes the transport characteristics of thermal phonons in the helium (He) temperature range (2–4 K) in diffusion mode and makes it possible to investigate the following: the kinetic characteristics of thermal phonons in single crystals of solid solutions; the contribution to phonon scattering from the concentration, type, and positions of a substitutional impurity, defects comparable with the wavelength (clusters, phase inhomogeneities, dislocations), low-energy excitations of various nature, including those associated with the formation of an equilibrium configuration of vacancies in the anionic sublattice with respect to substitutional impurity cations; equilibrium criteria in the system of nonequilibrium phonons–low-energy excitations; peculiarities of the phonon spectrum of nanostructured materials; the relationship between the diffusion coefficient of subterahertz phonons and the system of grain boundaries (GB), grain size, conditions for the formation of a “gap” in the phonon spectrum of nanostructured ceramics; spectral properties of GB, their relationship with the technological conditions of synthesis, to evaluate the average thickness and acoustic impedance of GB for a sample; the features of thermal phonon transport in amorphous dielectrics (glasses and glasslike materials) near the thermal conductivity “plateau,” the possibility of “gap” formation in the spectrum of phonon states; subterahertz phonon transport in ceramics based on ferroelectrics, electrolyte solid solutions, and cermets.

About the authors

S. A. Nikitov

Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 125009, Moscow, Russia

Email: taranov@cplire.ru
Россия, 125009, Москва, ул. Моховая 11, стр. 7

A. V. Taranov

Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 125009, Moscow, Russia

Email: taranov@cplire.ru
Россия, 125009, Москва, ул. Моховая 11, стр. 7

E. N. Khazanov

Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 125009, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: taranov@cplire.ru
Россия, 125009, Москва, ул. Моховая 11, стр. 7

References

  1. Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М.: Мир, 1975.
  2. Gutfeld R.J., Nethercot A.H., Jr. Heat Pulses in Quartz and Sapphire at Low Temperatures // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 12. P. 641.
  3. Физика фононов больших энергий / Под ред. Левинсона И.Б. М.: Мир, 1976.
  4. Левинсон И.Б. Нелокальная фононная теплопроводность // ЖЭТФ. 1980. Т. 79. № 4. С. 1394–1407.
  5. Ivanov S.N., Khazanov E.N., Paszkiewicz T., Taranov A.V., Wilczyński M. Scattering of acoustic phonons by rare earth substitutional atoms in yttrium aluminum garnets // Z. Phys. B. 1996. V. 99. P. 535–541.
  6. Казаковцев Д.В., Левинсон И.Б. Температура пленочного инжектора фононов // Письма в ЖТФ. 1981. Т. 7. С. 1185.
  7. Данильченко Б.А., Порошин В.В., Сарбей О.Г. Излучение фононов в жидкий гелий // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 38. № 8. С. 386.
  8. Иванов С.Н., Хазанов E.Н., Таранов А.В. Трансформация режима распространения неравновесных акустичесхих фононов в твердых растворах гранатов // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. № 5(11). С. 1824–1829.
  9. Васильев Л.Н., Джабаров И., Остокский B.C., Парфеньева Л.С., Попов В.В., Смирнов И.А. Теплопроводность твердых растворов иттрий-алюминиевого и редкоземельно-алюминиевого гранатов // ФТТ. 1984. Т. 26. № 9. С. 2710–2715.
  10. Иванов С.Н., Хазанов E.Н., Котелянский И.М., Медведь В.В. Резонансное фонон-примесное рассеяние в твердых растворах // ФТТ. 1986. Т. 28. № 10. С. 2941–2945.
  11. Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. О возможности равновесия в системе фононы–низкоэнергетические возбуждения в условиях нестационарного процесса распространения теплового импульса в твердых диэлектриках при гелиевых температурах // ЖЭТФ. 2021. Т. 160. № 3. С. 403.
  12. Shevchenko E.V., Charnaya E.V., Khazanov E.N., Taranov A.V., Bugaev A.S. Heat capacity of rare-earth aluminum garnets // J. Alloys and Compounds. 2017. V. 717. P. 183–189.
  13. Misra S.K., Orhun U. Spin-Lattice Relaxation Time of Yb3+ in YbCl3 · 6H2O // Solid State Communications. 1987. V. 63. № 9. P. 867–869.
  14. Иванов С.Н., Хазанов E.Н., Таранов А.В., Ацаркин В.А., Демидов В.В. Исследование твердых растворов иттрий-эрбиевых алюминиевых гранатов методом распространения неравновесных фононов и спиновой релаксации // ЖЭТФ. 1988. Т. 94. № 5. С. 274–280.
  15. Таранов A.В., Хазанов E.Н., Чарная E.В. Фононная спектроскопия шоттки-подобных низкоэнергетических возбуждений парамагнитной природы в кристаллах твердых растворов гранатов // ЖЭТФ. 2021. Т. 159. № 1–2. С. 111.
  16. Иванов С.Н., Хазанов E.Н., Таранов А.В. Аномалии при распространении тепловых импульсов в твердых растворах иттрий-редкоземельных алюминиевых гранатов // Письма в ЖЭТФ. 1984. Т. 40. № 1. С. 20.
  17. Гарин Б.М., Никитин И.П., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Корреляция между диэлектрическими потерями в субмиллиметровом диапазоне и поглощением акустических волн в твердых растворах YAG:Lu // Радиотехника. 2012. № 12. С. 85–89.
  18. Ivanov S.N. The use of yttrium-rare earth aluminium garnet solid solutions for bulk-acoustic-wave (BAW) devices // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 1992. V. 39. № 5. P. 653–657.
  19. Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н., Чарная Е.В., Шевченко Е.В. Особенности транспорта фононов и теплоемкости в Er-содержащих алюмо-редкоземельных гранатах в области Не-температур // ЖЭТФ. 2018. Т. 154. В. 4. С. 826.
  20. Левинсон И.Б. Установление температуры в диэлектрических стеклах ниже 1 K // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. С. 157.
  21. Саламатов Е.И. Нелокальные эффекты при диффузионном распространении тепловых импульсов в системах с центрами захвата неравновесных фононов // ФТТ. 2002. Т. 44. С. 935.
  22. Куменков С.Е., Перель В.И. Релаксация энергии электрон-фононной системы в полупроводниках // ЖЭТФ. 1988. Т. 94. С. 346.
  23. Иванов В.В., Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Фононная спектроскопия субмикронных керамик на основе твердых растворов Ce1 – xGdxO2 – y // ЖЭТФ. 2010. Т. 137. В. 1. С. 41.
  24. Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н., Чарная Е.В., Шевченко Е.В. Транспортные характеристики фононов и теплоемкость монокристаллов твердых растворов Y2O3:ZrO2(YSZ) // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. В. 5(11). С. 910–917.
  25. Лезова И.E., Карбань О.В., Таранов A.В., Хазанов E.Н., Чарная E.В. Кинетические характеристики фононов и структурные неоднородности твердых растворов моноалюминатов Y1 – xErxAlO3 // ЖЭТФ. 2020. Т. 157. № 1. С. 90–96.
  26. Альшиц В.И., Инденбом В.Л. Динамическое торможение дислокаций // УФН. 1975. Т. 115. № 1. С. 3.
  27. Альшиц В.И., Иванов С.Н., Сойфер Я.М., Хазанов E.Н., Таранов А.В. Наблюдение дислокационного флаттер-резонанса в температурной зависимости рассеяния неравновесных фононов в кристаллах LiF // ФТТ. 1989. Т. 31. № 11. С. 63–65.
  28. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях // УФН. 1998. Т. 168. № 1. С. 55.
  29. Каминский А.А., Таранов А.В., Хазанов Е.Н., Акчурин М.Ш. Особенности структуры и фононных спектров диэлектрических лазерных оксидных керамик // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. С. 880–886.
  30. Иванов В.В., Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Резонансное рассеяние неравновесных фононов (λ = 10–50 нм) в наноструктурной керамике на основе композитов YSZ + Al2O3 // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. № 2. С. 339.
  31. Барабаненков Ю.Н., Иванов В.В., Иванов С.Н., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Исследование нанокерамик на основе оксидов Al и Zr методом тепловых импульсов // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. № 3. С. 546–552.
  32. Барабаненков Ю.Н., Иванов В.В., Иванов С.Н., Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н., Хасанов О.Л. Распространение фононов в нанокристаллических керамиках ZrO2:Y2O3 // ЖЭТФ. 2006. Т. 129. № 1. С.131–138.
  33. Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Исследование теплофизических свойств оксидных керамик в области гелиевых температур // ЖЭТФ. 2008. Т. 134. № 2(8). С. 595.
  34. Каплянский А.А., Мельников М.Б., Феофилов С.П. Распространение неравновесных терагерцовых акустических фононов в плотной кристаллической керамике на основе alpha-Al2O3 // ФТТ. 1996. Т. 38. № 5. С. 1434.
  35. Lu J., Prabhu M., Xu J., Ueda K. Highly efficient 2% Nd:yttrium aluminum garnet ceramic laser // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. P. 3707.
  36. Акчурин М.Ш., Гайнутдинов Р.В., Каминский А.А., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Особенности кинетики субтерагерцовых фононов в оптически прозрачных керамиках на основе Y3Al5O12 с элементами двойникования в структуре // ЖЭТФ. 2009. Т. 135 № 1. С. 93–97.
  37. Yanagitani T., Yagi H. // Jap. Pat. No. 10-101333; No. 10-1014011. 1998.
  38. Хазанов Е.Н., Таранов А.В., Алексеев С.Г., Ползикова Н.И. Влияние анизотропии на кинетику и акустические характеристики фононов в керамике на основе YAG, Y2O3, Lu2O3 // ЖЭТФ. 2014. Т. 145. № 1. С. 557–562.
  39. Salamatov E.I. Phonon propagation in nanoceramics // Phys. Stat. Sol. (c) 2004. V. 1. P. 2971.
  40. Salamatov E.I. Phonon spectrum of compact ceramics: two-dimensional ordered model // Phys. Stat. Sol. (b) 2007. V. 244. № 6. P. 1895.
  41. Ivanov V.V., Paranin S.N., Khrustov V.R. Nanostructured Ceramics Based on Aluminum and Zirconium Oxides Produced Using Magnetic Pulsed Pressing // The Physics of Metals and Metallography. 2002. V. 94. Suppl. 1. P. S98.
  42. Карбань О.В., Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н., Хасанов О.Л. Исследование особенностей кинетики тепловых фононов и структуры нанодисперсных железосодержащих керметов на основе корунда в области гелиевых температур // ЖЭТФ. 2009. Т. 135. № 4. С. 758.
  43. Побелл Ф. Акустические свойства стекол и поликристаллов при сверхнизких температурах // УФН. 1994. Т. 164. № 12. С. 1298–1301.
  44. Buchenau U., Galperin Yu.M., Gurevich V.L., Parshin D.A., Ramos M.A., Schober H.R. Interaction of soft modes and sound waves in glasses // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. № 5. P. 2798.
  45. Lawless W.N. Specific heats of paraelectrics, ferroelectrics, and antiferroelectrics at low temperatures // Phys. Rev. B. 1976. V. 14. № 1. P. 134.
  46. Meissner M., Knaak W., Sethna J.P., Chow K.S., De Yoreo J.J., Pohl R.O. Explanation for the universal low-temperature and dynamical properties of a particular glass // Phys. Rev. B. 1985. V. 32. P. 6091.
  47. Hassaine M., Ramos M.A., Krivchikov A.I., Sharapova I.V., Korolyuk O.A., Jiménez-Riobóo R.J. Low-temperature thermal and elastoacoustic properties of butanol glasses: Study of position isomerism effects around the boson peak // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. P. 104206.
  48. Саламатов Е.И., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Особенности транспортных характеристик фононов в стеклах и стеклоподобных кристаллах в области гелиевых температур // ЖЭТФ. 2015. Т. 148. С. 308.
  49. Козорезов А.Г., Иванов С.Н., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Распространение неравновесных фононов в керамических материалах // ЖЭТФ. 1992. Т. 102. С. 600.
  50. Kozub V.I., Rudin A.M., Schober H. Nonequilibrium phonon transport in amorphous layers // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 6032.
  51. Козуб В.И., Рудин А.М. Транспорт неравновесных фононов в неупорядоченных системах (Обзор) // ФТТ. 1996. Т. 38. № 2. С. 337.
  52. Krivchikov A.I., Yushchenko A.N., Korolyuk O.A., Bermejo F.J., Fernandez-Perea R., Bustinduy I., González M.A. Effects of resonant phonon scattering from internal molecular modes on the thermal conductivity of molecular glasses // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 024202.
  53. Ross G., Andersson P., Backstrom G. Unusual PT dependence of thermal conductivity for a clathrate hydrate // Nature. 1981. V. 290. P. 322.
  54. Krivchikov A.I., Gorodilov B.Ya., Korolyuk O.A., Manzhelii V.G., Romantsova O.O., Conrad H., Press W., Tse J.S., Klug D.D. Thermal conductivity of Xe clathrate hydrate at low temperatures // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 064203.
  55. Иванов С.Н., Смирнова Е.П., Таранов А.В., Хазанов Е.Н. Распространение неравновесных фононов в керамиках и кристаллах сегнетоэлектриков // ЖЭТФ. 1999. Т. 115. С. 624.
  56. Farber L., Davies P.K. Influence of Cation Order on the Dielectric Properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–Pb(Sc1/2Nb1/2)O3 (PMN-PSN) Relaxor Ferroelectrics // J. Am. Ceram. Soc. 2003. V. 86 № 11 P. 1861.
  57. Нацик В.Д., Ватажук Е.Н., Паль-Валь П.П., Паль-Валь Л.Н., Москаленко В.А. Наблюдение низкотемпературных аномалий стекольного типа при изучении акустических свойств наноструктурных металлов // Физика низких температур. 2013. Т. 39. С. 1381.
  58. Salamatov E.I. Vibrational spectrum and temperature behavior of thermal conductivity and specific heat in amorphous // J. Non-Crystalline Solids. 1996. V. 202. P. 128.
  59. Саламатов Е.И. Вычисление плотности колебательных состояний системы с распределенным недиагональным беспорядком // ФТТ. 1991. Т. 33. С. 2601.
  60. Либау Ф. Структурная химия силикатов. М.: Мир, 1988. 416 с.
  61. Лезова И.E., Саламатов Е.И., Таранов A.В., Хазанов E.Н., Чарная E.В., Шевченко E.В. Особенности низкотемпературной теплоемкости и кинетики фононов в монокристаллах и стеклах ряда редкоземельных пентафосфатов // ЖЭТФ. 2019. Т. 156. С. 918.
  62. Лезова И.Е., Шевченко E.В., Чарная E.В., Хазанов E.Н., Таранов A.В. Теплоемкость легированного эрбием галлий-гадолиниевого граната // ФТТ. 2018. Т. 60. С. 1906.

Copyright (c) 2023 С.А. Никитов, А.В. Таранов, Е.Н. Хазанов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».