Введение к работе
з
Актуальность темы. Исследование размерных эффектов в наномасштабных сегнетоэлектрических структурах является одним из важных направлений современной физики конденсированного состояния в связи с перспективами применения таких материалов в микроэлектронике, инженерии и технологиях. Причиной этого являются существенные изменения физических характеристик вещества при уменьшении их размеров. Наиболее заметно размерные эффекты проявляются вблизи различных фазовых переходов, в том числе вблизи переходов плавления и кристаллизации, переходов в сверхпроводящее и сверхтекучее состояния, а также сегнетоэлектрических фазовых переходов.
Исследование поведения электрических характеристик наноразмерных композитных структур в сочетании с технологией получения, позволяющей регулировать размеры сегнетоэлектрических частиц в подобных структурах и их взаимное расположение, представляют большой интерес для решения задачи получения материалов с наперед заданными свойствами.
Тема диссертационной работы поддержана проектами 2.1.1.3701 и 2.1.1/1381 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2008 - 2010)» на тему «Нелинейные явления в наноразмерных структурах вещества при воздействии внешних полей», грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 10-02-00556-а (2010-2012 гг.).
Целью настоящей работы является исследование электрических свойств нанокомпозитных структур с включениями сегнетоэлектрического триглицинсульфата, сегнетовой соли и нитрита натрия, приготовленных на базе пористых матриц или на основе кремнезема по смесевой технологии.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:
получение, структурные и фазовые исследования сегнетоэлектрических композитов с различными размерами и топологией пор по матричной технологии;
получение и характеризация смесевых композитов с различной степенью дисперсности связующего материала и наполнителя;
исследование закономерностей протекания фазовых переходов в сегнетоэлектрических нанокомпозитах, их связи с размерами и топологией
пор матрицы, с материалом и характером распределения полярной и неполярной фаз для материалов, полученных по смесевой технологии;
исследование природы аномально высокой диэлектрической восприимчивости сегнетоэлектрических композитов;
экспериментальное и теоретическое исследование диэлектрической релаксации сегнетоэлектрических композитов различной связности и различной степени нанодисперсности.
Объект и методики исследования
В качестве объекта исследования в работе были выбраны композитные структуры в виде пористых матриц (оксида алюминия, пористого кремния и пористого стекла) с сегнетоэлектрическими включениями, а также сегнетоэлектрические нанокомпозитные материалы, приготовленные на основе кремнезема по смесевой технологии. В качестве сегнетоэлектрического наполнителя матричных структур использовались триглицинсульфат (Тс = 49 С), сегнетова соль (Тс = 24 С) и нитрит натрия (Тс =164 С), а в случае смесевых композитов - триглицинсульфат.
Температурные зависимости емкости и тангенса угла диэлектрических потерь приготовленных образцов исследовались с помощью цифрового моста LCR-meter 41R и измерителя иммитанса LCR-821. Исследования петель диэлектрического гистерезиса проводились с использованием стандартной схемы Сойера - Тауэра на частоте 50 Гц. Пироэлектрические исследования проводились в квазистатическом режиме стандартным компенсационным методом с помощью кулонометра UT-6801A с чувствительностью по току 10 А. Исследование поверхности образцов проводилось с помощью сканирующего зондового микроскопа «FemtoScan 001» в атомно-силовом режиме (AFM), сканирующего электронного микроскопа JSM - 6380LV и металлографического микроскопа «МЕТ-3». Измерения тока эмиссии проводились по стандартной методике в вакууме порядка 6,5-10 " Ра в режимах линейного нагрева и стабилизации температуры.
Научная новизна работы. Все основные результаты данной работы являются новыми. В настоящей работе впервые
- отработаны технологии получения композитных структур с
сегнетоэлектрическими включениями путем заполнения пористой
диэлектрической матрицы из насыщенного водного раствора
сегнетоэлектрической соли, а также по смесевой технологии;
зафиксированы закономерности изменения температуры Кюри в сегнетоэлектрических частицах с размерами менее 100 нм по сравнению с данными для объемных монокристаллических сегнетоэлектриков;
получены новые закономерности диэлектрических, пироэлектрических, эмиссионных и переполяризационных свойств нанокомпозитных структур с сегнетоэлектрическими включениями.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты работы дают информацию о способах расширения температурного интервала существования полярного состояния в сегнетокомпозитах по сравнению с однородными сегнетоэлектрическими материалами, а также увеличения диэлектрической восприимчивости сегнетокомпозитов, позволяющих целенаправленно формировать материалы с заданными функциональными характеристиками.
Основные положения, выносимые на защиту:
Вариация размеров сегнетоэлектрических наночастиц, электрических и механических характеристик сегнетоэлектрического наполнителя и несегнето-электрического окружения позволяет существенно изменять температуру перехода в сегнетоэлектрическое состояние в композите.
Реальное изменение температуры фазового перехода в сегнетоэлектрическое состояние в сегнетокомпозитах определяется противоборством двух факторов - опрокидывающим действием деполяризующего поля связанных зарядов на границе между матрицей (несегнетоэлектрическим материалом) и сегнетоэлектрическим наполнителем, уменьшающим Тс, и фиксирующим действием окружения, затягивающего полярное состояние в сторону высоких температур по механизму внутреннего смещающего поля.
3. Увеличению значений диэлектрической проницаемости нанокомпозитов по
сравнению с объемными материалами способствует уменьшение степени
зажатости сегнетоэлектрического включения в случае его контакта с более
податливым связующим материалом, а также наличие миграционной
поляризации, обусловленной низкочастотной релаксацией подвижных
зарядов по механизму Максвелла-Вагнера.
4. Высокие значения коэрцитивного поля сегнетокомпозитов связаны с моно
доменным состоянием, а также с фиксацией поляризации наноразмерных
сегнетоэлектрических частиц на межфазных границах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVIII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлек-триков, Санкт-Петербург, 2008; 9-ой Европейской конференции по применению полярных диэлектриков, Рим, Италия, 2008; 12-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству и 18-м Международном IEEE Симпозиуме по применению сегнетоэлектриков (IMF-ISAF-2009), Китай, 2009; 6-м Международном Семинаре по физике сегнетоэластиков (ISFP-6(11)), Воронеж, 2009; VI-ой и VIII-ой Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», Москва, 2008, 2010; V-ой Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике».
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор методов и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Сидоркиным А.С.
По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 3 статьи в изданиях ВАК и 5 статей в прочих журналах и сборниках трудов конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 64 рисунка. Библиографический раздел включает ПО наименований.
