RbH2AsO4中的多组分弹性软化现象及铁弹性不稳定性：基于布里渊光散射的研究

《Ultrasonics》：Multicomponent elastic softening and ferroelastic instability in RbH2AsO4: A Brillouin light scattering study

　　B Mroz|Z Trybula|S Mielcarek|M. Szafrański|A Trzaskowska
波兹南大学物理与天文学院，亚当·密茨凯维奇大学，波兰波兹南2，61-614

**摘要**
利用布里渊光散射技术研究了铁电晶体RbH2AsO4（RDA）在105 K附近4ˉ2m→mm2相变过程中的弹性特性。在40–300 K的温度范围内测量了八种声模式的声速、线宽和强度。特别关注了沿垂直于z轴方向传播的声子，群论分析预测这类声子会表现出与铁电性相关的异常弹性行为。为了确定自发生形及其在相变过程中的演变，还进行了温度依赖的X射线衍射实验。将RDA的应变行为与参考物质氢键铁电晶体KH2PO4（KDP）进行了对比，以便更全面地评估这一晶体家族的铁电特性。研究结果表明RDA是一个用于研究涉及多个相互作用弹性模式的复杂铁电行为的模型系统。

**引言**
声波是探测晶体固态材料弹性、结构和动态特性的有力工具。声子传播过程直接受材料的弹性张量控制，因此能够提供关于晶格稳定性、对称性变化以及不同序参量之间耦合的高灵敏度信息。尤其是声速、衰减和模式极化的异常现象，被认为是结构和铁电相变的关键标志；即使是微小的晶格畸变也会导致声学响应的显著变化。
在实验技术中，布里渊光散射（Brillouin Light Scattering, BLS）在声学性质研究中占有特殊地位，因为它能够实现GHz频率范围内的高精度非接触式测量，可用于确定弹性常数、声学各向异性以及声子软化现象，并已成为研究弹性不稳定性、铁电转变和强弹性-电耦合效应的重要工具。因此，理解相变附近声学模式的行为对于基础固态物理学以及涉及声波传播、声子功能和声光相互作用的应用（包括生物样本）至关重要。[1],[2],[3],[4]
KDP家族的氢键铁电晶体（化学式为MH2PO4和MH2AsO4，其中M=K、Rb、Cs）在铁电相变和弹性异常研究领域起到了典范作用。这些化合物在高温顺电相中具有相同的结构，并且在发生明显的结构相变时伴随着弹性性质的显著变化，因此长期被用作研究声子与铁电序参量相互作用的研究对象。针对这类晶体已开展了大量研究，重点关注其介电、铁电和光学性质[5],[6],[7],[8],[9]。同时，KDP型晶体也被广泛应用于光学和声光设备中，如激光器、光通信系统和频率转换元件。
近年来，随着多功能和铁电材料的快速发展[10],[11],[12]，人们对具有强烈弹性-电-结构自由度耦合的材料越来越关注。在这些系统中，弹性异常和声子软化现象起着关键作用，因为它们直接影响超声波的传播并决定畴结构的稳定性。这对于具有铁电和铁弹性的材料尤为关键，因为自发生形和极化密切相关。从超声学的角度来看，确定弹性异常是由单一的声子软化模式还是多个相互作用的声子分支引起的至关重要，这对声波色散和衰减有重要影响。
RbH2AsO4（RDA）是KDP家族的代表性成员，它在约105 K时发生结构相变，从四方顺电相（点群4ˉ2m）转变为低温的正交铁电相（点群mm2）。这种转变符合铁电性的主要特征（即晶体系统的改变），因此在其附近预期会出现异常弹性行为[13],[14],[15],[16]。尽管之前已经研究了RDA及相关混合晶体的铁电和介电性质[17],[18],[19],[20],[21]，但对其弹性和声学性质的了解仍相对较少。与经过广泛研究的KH2PO4（KDP）晶体不同，后者在相变时c66弹性常数会发生完全软化，而关于纯RDA的声子行为或弹性张量分量的系统实验数据目前尚缺乏。
Rb+离子取代K+离子改变了氢键网络和晶格动力学，表明RDA的弹性响应可能与KDP有显著差异。这引发了关于声子软化机制的本质、受影响的弹性常量数量以及自发生形作为潜在铁电序参量作用的重要问题。从超声波传播的角度来看，确定RDA是遵循经典的单模软化机制还是表现出更复杂的多组分弹性不稳定性（涉及多个声学模式）尤为重要。
在本研究中，我们通过对RbH2AsO4单晶进行全面的布里渊光散射实验来探讨这些问题。测量了在40–300 K温度范围内沿主要晶体学方向传播的八个声子模式的声速、线宽和积分强度，覆盖了铁电-铁电相变过程。特别关注了沿垂直于z轴方向传播的声子模式，因为群论分析预测这些模式会出现最显著的弹性异常。通过结合实验BLS数据和Christoffel方程分析，我们确定了弹性张量分量的温度演变，并发现了与KDP型晶体不同的行为特征。研究结果表明，RDA的铁电转变是由多个相互作用的光子引起的多组分弹性不稳定性所控制的，而非单一的软化模式。

**铁电和铁弹性材料**
近年来，铁电和铁弹性材料由于其潜在的应用前景而受到广泛关注，特别是在现代电子和光电子技术中。尤其是可切换的极化和应变特性使得这些材料可用于设计非易失性存储设备、光电探测器和多功能系统。此外，铁电畴结构还能影响电荷传输和功能响应，使其在新兴器件概念中具有重要意义。理解弹性不稳定性和应变-极化耦合对于基础物理学以及下一代功能材料的发展至关重要。在RDA中发现的多组分弹性软化现象表明，可以利用多个应变通道来调节功能响应。
因此，RDA可以作为一个模型系统，因为它具有多组分弹性不稳定性、弱铁弹性应变以及与KDP原型的直接可比性。
为了量化与铁电相变相关的自发生形，还进行了温度依赖的单晶X射线衍射实验以确定晶格参数的演变。这使我们能够直接比较声学响应中的弹性异常和自发生形的发展。最终将RDA的弹性行为与KDP晶体进行了对比，突显了声子软化机制方面的根本差异，并强调了RDA作为研究铁电材料中复杂弹性不稳定性的模型系统的重要性。

**方法**
使用六通道串联布里渊光散射（Brillouin Light Scattering, BLS）光谱仪（JRS Scientific Instruments）记录了RDA晶体的布里渊光谱，该仪器的对比度为10^10[22],[23]。激发源为单模二极管泵浦的Nd:YAG激光器，工作在二次谐波（λ0=532 nm），输出功率为200 mW（Excelsior, Spectra Physics）。测量集中在xy平面内传播的声子上。

**结果与讨论**
确定了八个声模式的温度依赖性布里渊位移，这些模式在后续段落中有详细描述。例如，在BiVO4晶体中，铁电畴结构存在时布里渊线的分裂与不同类型畴中的声速差异有关[27]。线宽和积分强度的温度依赖性提供了关于松弛过程或所研究相变性质的信息[28]。

**结论**
与KDP不同，在RDA中，xy平面内传播的所有声子都表现出软化现象。这表明RDA相变的理论描述必须涉及多个序参量，包括应变分量e11、e22和e12。在这方面，值得一提的是另一种表现出类似行为的材料：Gd2(MoO4)3（GMO）晶体，它被归类为非典型铁电材料[22]，我们的早期布里渊研究也支持了这一结论[23]。

**作者贡献声明**
B Mroz：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、项目管理、形式分析。
Z Trybula：撰写——初稿、形式分析。
S Mielcarek：撰写——初稿、可视化、验证、研究、形式分析、数据管理、概念化。
M. Szafrański：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、研究、形式分析、数据管理、概念化。
A Trzaskowska：撰写——初稿。

**资金声明**
本研究没有外部资金支持。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。