Диэлектрические свойства Bi-содержащих слоистых сегнетоэлектриков Кочергин Юрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Во многих функциональных устройствах, используемых в различных отраслях науки и техники, в качестве активных элементов применяют поликристаллические материалы, к которым относятся и сегнетоэлектрики с их уникальными электрофизическими свойствами. По мере развития сегнетоэлектричества продолжался и процесс поиска новых материалов, относящихся к обнаруженному классу. Особое внимание этому направлению физики твердого тела было оказано во второй половине XX века, когда был открыт ряд новых сегнетоэлектриков, выявлена область их применения, а также разработаны методы получения сегнетоэлектриков (СЭ) с заданными свойствами. Работы В.А. Исупова и А.Г. Смоленского [1] показали, что наряду с СЭ материалами, обладающими четким фазовым переходом (ФП), существует особый вид СЭ, у которых наблюдается сильное размытие максимумов диэлектрической проницаемости при сегнетоэлектрических фазовых переходах. В дальнейшем подобные свойства были обнаружены у большого ряда сегнетоэлектрических материалов.

Одними из таких материалов являются слоистые СЭ с общей формулой A_m-1Bi₂B_mO_3m+3, которые являются сложными перовскитами [2]. В последние годы для классификации и прогнозирования новых типов кристаллических структур, а также поиска оптимальных путей их синтеза используется модульный подход, который рассматривает отдельные слои как строительные блоки. В известной мере этот подход подобен подходам к поэтапной сборке сложных наноматериалов с тем принципиальным отличием, что фундаментальными структурными единицами в случае слоистых структур являются не ограниченные группы атомов или кластеры, а бесконечно протяженные слои. Интерес к слоистым СЭ вызван и перспективностью их использования в современном приборостроении, например, для изготовления конденсаторов, нелинейных элементов варисторного типа, в устройствах оперативной памяти, которые могут заменить считывающе-запоминающие устройства, основанные на кремнии, так как обладают низким рабочим напряжением, высокой скоростью чтения-записи и энергонезависимы. Кроме того, данные материалы проявляют превосходную выносливость к многократному переключению поляризации (до 10¹² циклов).

Применение низких и инфранизких частот при исследовании диэлектрического отклика подобных структур является актуальным, так как позволяет более детально исследовать и получить дополнительную информацию, касающуюся фундаментального аспекта физики размытых переходов в неупорядоченных конденсированных средах, а также существенно расширить область прикладных задач относительно применения слоистых сегнетоэлектриков.

Тематика диссертационной работы соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН, а работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики Волгоградского архитектурно-строительного университета по изучению физических свойств электрически активных материалов.

Цель работы заключалась в исследовании процессов низко- и инфранизкочастотной релаксации поляризации слоистых
сегнетоэлектриков-керамик ВаBi₂Nb₂O₉, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Ta₄O₂₇, K_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, SrBi₂Ta₂O₉ при влиянии внешних воздействий различной природы в широкой области температур. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучение низко– (НЧ) и инфранизкочастотных (ИНЧ) диэлектрических спектров комплексной диэлектрической проницаемости e* слоистых сегнетоэлектриков.

2. Исследование особенностей процессов долговременной релаксации поляризации в слоистых сегнетоэлектриках в зависимости от предыстории материалов.

3. Изучение характера диэлектрической нелинейности и особенностей переполяризационных характеристик в керамиках ВаBi₂Nb₂O₉ и SrBi₂Ta₂O₉ при различных значениях внешнего смещающего и переменного электрических полей в широкой температурной области.

Объекты исследований. В качестве объектов исследований выбраны следующие составы слоистых сегнетоэлектриков: ВаBi₂Nb₂O₉, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Ta₄O₂₇, K_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O_27, SrBi₂Ta₂O_9. Данные материалы приготовлены из тонкоизмельченных оксидов или солей соответствующих металлов методом термохимической реакции в твердой фазе в Институте физики твердого тела Латвийского университета. Рентгеноструктурный анализ синтезированных соединений показал, что во всех случаях кристаллическая решетка имеет два перовскитоподобных слоя, чередующихся с висмут-кислородными слоями.

В зависимости от соотношения компонент и степени упорядоченности ионов в узлах кристаллической решетки данные материалы относятся к сегнетоэлектрикам с размытым фазовым переходом. Существенное различие как в степени размытия фазового перехода, так и в значениях температур фазового перехода дают возможность провести сравнительные исследования данных объектов и получить новую информацию, актуальную как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в связи с перспективностью применения их в технике.

Научная новизна.

1. У слоистого сегнетоэлектрика ВаBi₂Nb₂O₉ выявлен релаксорный тип частотно-температурной зависимости диэлектрического отклика в диапазоне низких и инфранизких частотах.

2. Для слоистых сегнетоэлектриков Na_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Ta₄O₂₇ показано существование при температурах, расположенных ниже , дополнительных максимумов , зависящих от времени старения материала.

3. При изучении влияния смещающего поля показано, что характер диэлектрической нелинейности в слоистом сегнетоэлектрике ВаBi₂Nb₂O₉ может определяться поведением полярных кластеров и нанообластей подобно тому, как это происходит в неупорядоченных системах типа полярного (дипольного) стекла.

4. Показано, что характер переполяризационных процессов в керамике SrBi₂Ta₂O₉ в диапазоне инфранизких частот определяется поведением доменной структуры в существенно дефектной среде.

Результаты были получены впервые.

Практическая значимость. Новые экспериментальные результаты и закономерности, полученные в настоящей диссертационной работе при исследовании диэлектрического отклика в слоистых сегнетоэлектриках ВаBi₂Nb₂O₉, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, Na_0,5Bi_8.5Ti₂Ta₄O₂₇, K_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇, SrBi₂Ta₂O₉ в зависимости от влияния постоянных и переменных электрических полей, позволяют значительно пополнить имеющуюся информацию о процессах диэлектрической релаксации в материалах, обладающих размытым фазовым переходом, что будет полезно как для разработчиков технических применений, так и для проверки существующих и разработки новых теоретических представлений об особенностях физических свойств в области размытых фазовых переходов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В основе релаксороподобного диэлектрического отклика слоистого сегнетоэлектрика ВаBi₂Nb₂O₉ лежат медленные процессы релаксации поляризации, характерные для неупорядоченных систем типа полярного (дипольного) стекла.

2. Экспериментальные результаты, устанавливающие причины возникновения дополнительных аномалий электрофизичеких свойств в слоистых сегнетоэлектриках Na_0,5Bi_8.5Ti₂Nb₄O₂₇ и Na_0,5Bi_8.5Ti₂Ta₄O₂₇ при температурах, расположенных существенно ниже температур сегнетоэлектрического фазового перехода в данных материалах.

3. Вклад в диэлектрический отклик слоистого сегнетоэлектрика SrBi₂Ta₂O₉ в слабых полях инфранизкой частоты определяется двумя основными составляющими: релаксацией объемного заряда и осцилляцией доменных границ в существенно дефектной среде.

4. Экспериментальные результаты, определяющие характер переполяризационных процессов в слоистом сегнетоэлектрике SrBi₂Ta₂O₉ в широкой области температур.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на 5 Международном семинаре физики сегнетоэластиков (ВГУ, Воронеж, 2006), XI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (ВолГУ, Волгоград, 2006); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (МИРЭА, Москва, 2006); Международной конференции «Функциональные материалы и нанотехнологии FMNT’2007» (Рига, Латвия, 2007); 13-й Всероссийской Конференции Студентов Физиков и Молодых Ученых ВНКСФ-13 (ЮФУ,
Ростов-на-Дону–Таганрог, 2007); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (институт физики ДагНЦ РАН, Махачкала, 2007); Международной конференции по материалам для электронных компонентов (2007, Маракеш); Polecer conference piezoelectricity for end users III (Либерцы, Чешская республика, 2007); XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков ВКС-18 (ЛЭТИ, Санкт-Петербург, 2008); Международной конференции «Функциональные материалы и нанотехнологии FMNT’2008» (Рига, Латвия, 2008); 6-ом Международном семинаре физики сегнетоэластиков (ВГУ, Воронеж, 2009); Второй международной конференции по материалам для электронных компонентов (Хаммет, Тунис, 2009); на 15-ой конференции по полупроводникам и диэлектрическим материалам (Вильнюс, 2009); на 12-ой международной конференции по сегнетоэлектричеству и на 18-ой международном симпозиуме по сегнетоэлектрическим материалам (Ксиан, Китай, 2009); Ежегодных научно-технических конференциях ВолГАСУ (2006, 2007, 2008, 2009).

Публикации

Похожие диссертации на Диэлектрические свойства Bi-содержащих слоистых сегнетоэлектриков

Термодинамические свойства сегнетоэлектриков при структурных перестройках различного типаМагатаев, Вали Кадиевич

Реальная структура и физические свойства сегнетоэлектриков PbSc_0.5 Nb_0.5 O_3 и PbFe_0.5 Nb_0.5 O_3 Мардасова Ирина Владимировна

Влияние особенностей фононного спектра на диэлектрические, акустические и тепловые свойства сегнетоэлектриков и обычных диэлектриковТаганцев, Александр Кириллович

Сегнетоэластические свойства виртуального сегнетоэлектрика SrTiO3 и твердых растворов на его основе Ухин Евгений Викторович

Термодинамические и кинетические свойства неоднородных сегнетоэлектриковИванова Елена Сергеевна

Особенности диэлектрических и механических свойств сегнетоэлектриков-сегнетоэластиков с магнитным упорядочениемСкрипченко Екатерина Анатольевна

Влияние механоактивации на физические свойства релаксорных сегнетоэлектриков PbSc0.5Nb0.5O3 и PbFe0.5Nb0.5O3Убушаева, Эльза Николаевна

Физические свойства релаксорных сегнетоэлектриков PbIn0.5Nb0.5O3 и PbSc0.5Ta0.5O3 и их зависимость от концентраций структурных дефектовВитченко Марина Александровна

Физические свойства смектической С* фазы жидких кристаллов и принципы создания жидкокристаллических сегнетоэлектриков с заданными электрооптическими свойствамиПожидаев Евгений Павлович

Влияние взаимодействия когерентных границ раздела на физические свойства сегнетоэластиков, сегнетоэлектриков-сегнетоэластиковМоисеев, Сергей Игоревич