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

Введение к работе

Актуальность темы. В современной физике конденсированного состояния важное место занимают исследования взаимодействия различных подсистем твердого тела друг с другом Примерами объектов таких исследований являются сверхпроводники-сегнетоэластики, сегнетоэлектрики-полупроводники и так далее В последнее время резко возрос интерес к материалам, демонстрирующим одновременное существование электрического и магнитного упорядочения - сегнетомагнетикам Связь между электрической и магнитной подсистемами (магнитоэлектрический эффект) дает возможность управлять магнитными свойствами сегнетомагнетиков электрическим полем и, наоборот, изменять их электрические свойства в магнитном поле, что делает сегнетомагнетики привлекательными объектами исследования для фундаментальной физики конденсированного состояния и перспективными материалами для различных практических применений

Несмотря на достаточно большое число экспериментальных и теоретических исследований сегнетомагнетиков, многие важные вопросы еще не решены (например, не установлены закономерности влияния структурного разупорядо-чения на фазовые переходы в магнитной подсистеме) Также отсутствует однозначная интерпретация некоторых экспериментальных результатов исследования физических свойств сегнетомагнетиков, полученных разными авторами (идентификация диэлектрических аномалий при магнитных фазовых переходах)

Можно утверждать, что актуальной задачей является изучение и анализ структурно-чувствительных диэлектрических и механических свойств сегнетомагнетиков как при сегнетоэлектрическом, так и при магнитном фазовых переходах, так как именно вблизи переходов многие физические свойства твердых тел меняются экстремально, что позволяет увеличить информативность научного исследования

Тематика данной диссертации соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденному Президиумом РАН (раздел 1 2 - "Физика конденсированного состояния вещества") Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 04 23 "Синтез и физические свойства современных материалов твердотельной электроники", а также по грантам РФФИ № 01-02-16097, № 04-02-16418, № 05-02-96408, № 06-02-96310, №07-02-00228, Минобразования РФ №202 03 02 038 №УР01 01 016

Цель работы Основной целью настоящей работы являлось установление и изучение закономерностей поведения диэлектрических, упругих и неупругих свойств сегнетомагнетика PbFei ₂Nb| ₂Оі и твердых растворов сегнетомагнит-ной системы (РЬТєзо^ЛчОї)/ _v-(PbTi0₅), с концентрациями л = 0, 0 2 и 0,3 при сегнеюэлектрическом и магнитном фазовых переходах

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи

1. Синтезировать керамические сегнетомагнетики PbFei^Nbi ₂0, и твердые растворы системы (РЬРе₂л\Уі/₃Оз)/.і-(РЬТЮз)і с концентрациями х = 0, 0,2 и 0,3 и провести комплексное исследование их структуры и физических свойств с помощью методов диэлектрической и механической спектроскопии и метода дифракции нейтронов для выявления закономерностей поведения диэлектрических, упругих и неупругих свойств, обусловленных сегнетоэлектрическим и магнитным упорядочениями

2. Установить закономерности поведения физических свойств синтезированных сегнетомагнетиков лри магнитных фазовых переходах

3 Исследовать влияние внешнего электрического поля на упругие и неуп
ругие свойства сегнетомагнетика PbFei/₂Nbi/20₃ в области сегнетоэлектриче-
ского (сегнетоэластического) фазового перехода

4. Установить особенности поведения диэлектрических и механических свойств твердых растворов (РЬРе2/з^лМ_]/зОз)_л._д.-(РЬТіОз)., с концентрациями х = 0, 0,2 и 0,3 при последовательном уменьшении степени размытия сегнетоэлек-трического фазового перехода, проанализировать особенности диэлектрических свойств при размытом фазовом переходе в рамках модели флуктуации состава

5. Определить особенности изменения кристаллической структуры твердых растворов (РЬРе₂/з'\Уі/зОз)/._л:-(РЬТіОз)д: в области морфотропной фазовой границы, разделяющей релаксорное состояние и тетрагональную фазу

Объект исследований В качестве объектов исследования были выбраны сегнетомагнетик PbFe^Nbj^Cb и твердые растворы (РЬРе₂/з^,Л'_)/зОз);_д-(РЬТЮз)* с концентрациями х - 0, 0,2 и 0,3 Выбранные соединения являются типичными представителями семейства сегнетомагнетиков и могут рассматриваться как модельные системы для изучения основных закономерностей физических свойств, связанных с одновременным существованием в твердых телах электрического и магнитного упорядочения Кроме того, необходимо отметить и следующие обстоятельства

выбранные соединения отличаются последовательностью сегнетоэлек-трического и магнитного фазовых переходов PbFei^Nb^Cb при охлаждении сначала претерпевает сегнетоэлектрический фазовый переход, а антиферромагнитное упорядочение происходит уже в сегнетоэлектрической фазе В PbFe₂nW|'303 антиферромагнитный фазовый переход имеет место в параэлек-трической фазе, и при понижении температуры реализуется релаксорное состояние,

формирование твердых растворов системы ?Ъ?<г.₂ъ^<М\--,С>-_ь (релаксор)-РЬТіОз (классический сегнетоэлектрик) разных составов позволяет регулировать степень размытия фазового перехода (релаксорные свойства).

- соединение PbFei :Nbi/;Ch является не только сегнетоэлектриком но и
несобственным сегнетоэластиком Твердые растворы системы
(PbFe₃ ^W, ,0_?)/^(РЬТіОі), могут проявлять релаксорные свойства не только
как сегнетоэлектрики, но и как сегнетоэластики Следовательно, PbFe, _:Nb, _:Сь
и система (PbFe₂ iWj іОі)/-і-(РЬТіО?К также являются сегнетоэластиками с
мві нитным упорядочением

->

Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований сегнетомагнетика PbFei^NbinCb и твердых растворов сегнетомагнитной системы (PbFe2/3Wi/₃0₃)/^-(PbTi03)x с концентрациями х = 0, 0,2 и 0,3 получены автором впервые и заключаются в следующем

1. Установлено, что переход в антиферромагнитную фазу в сегнетомагне-тике PbFei/₂Nbi/₂0₃ сопровождается уменьшением упругой податливости, обусловленным магнитоупругим взаимодействием

2. Установлены закономерности влияния внешнего постоянного электрического поля на упругие и неупругие свойства PbFe,/₂Nbi/₂03 в сегнетоэлек-трической (сегнетоэластической) фазе Показано, что влияние электрического поля связано с уменьшением вклада доменного механизма в упругую податливость и внутреннее трение в электрическом поле, превышающем коэрцитивное

3. Получены данные о поведении низкочастотных упругих и неупругих свойств твердых растворов (PbFe_MWi/303)y.A-(PbTi0₃)v с концентрациями х =0, 0,2 и 0,3 Установлен вид температурных зависимостей внутреннего трения и модуля упругости при переходе в релаксорное состояние и в низкотемпературную сегнетоэлектрическую фазу

4. С помощью исследования упругого рассеяния нейтронов в твердых растворах (PbFe₂/3W₁/30₃)y^-(PbTi03)v с концентрациями х = 0,2 и 0,3 определены температуры структурного фазового перехода из кубической в тетрагональную фазу и температурные зависимости параметров элементарной ячейки и параметра тетрагональности

Практическая значимость. Установленные в результате выполнения работы физические закономерности углубляют представления о структурных и магнитных фазовых переходах в кристаллах с дипольным и магнитным упорядочением, позволяют определить влияние фазового перехода в магнитной подсистеме на диэлектрические и механические свойства этого класса кристаллов

Полученные экспериментальные результаты могут быть востребованы в научных лабораториях, занимающихся проблемами ферромагнетизма и сегне-тоэлектричества

Данные по изучению диэлектрических и упругих свойств сегнетомагнети-ков могут быть использованы при разработке датчиков, основанных на магнитоэлектрическом эффекте

Отдельные результаты исследований могут найти применение при разработке учебных курсов по дисциплинам «Физическое материаловедение» и «Физика полярных диэлектриков» для студентов, обучающихся по направлению «Техническая физика»

Основные положения, выносимые на защиту

5. Экспериментальное обнаружение изменений упругой податливости и внутреннего трения в сегнетомагнетике PbFei/oNbi^Ch в окрестности температуры Нееля, обусловленное магнитоупругим взаимодействием

6. Закономерности влияния внешнего постоянного электрического поля на низкочастотные упругие и неупругие свойства сегнетомагнетика PbFei ₂Nbi ^СЦ

->

в окрестности сегнетоэлектрического (сегнетоэластического) фазового перехода

3. Совокупность доказательств, свидетельствующих о подавлении релак-сорных свойств твердых растворов (PbFe2/3W_1/30^)/-, - (РЬТЮз)» с концентрациями х = 0, 0,2 и 0,3 при увеличении содержания титаната свинца

4. Экспериментальное определение температурных зависимостей параметров элементарной ячейки и параметра тетрагональности для твердых растворов (PbFe₂/3W мОз)/-л-(РЬТі0₃);> с концентрациями х = 0,2 и 0,3

Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 13 Международных, Всероссийских и других научных конференциях V Научной молодежной школе «Микро- и наносистемная техника (материалы, технологии, структуры и приборы)» (Санкт-Петербург, 2002), V Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2003), NATO Advanced Research Workshop on the Disordered Ferroelectrics, (Ukraine, Kiev, 2003), X European Meeting on Ferroelectncity (UK, Cambridge, 2003), IV International Seminar on Ferroelastics Physics (Russia, Voronezh, 2003), X Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Москва, 2004), 44-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ, секции «Физика твердого тела» (Воронеж 2004), 11 Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2004), XXI International Conference Relaxation Phenomena in Solids (Russia, Voronezh, 2004), VIII Russia/Cis/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectncity (Japan, Tsukuba, 2006), International Scientific-Practical Conference Structural Relaxation in Solids (Ukraine, Vinnitsa, 2006), VIII European Conference on the Applications of Polar Dielectrics (France, Metz 2006), V International Seminar on Ferroelastic Physics (Russia, Voronezh, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1-19] - приготовление образцов, [1-19] - подготовка к эксперименту, [1-19] - получение экспериментальных данных, [1-18] - анализ экспериментальных данных, [1-19] — обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 133 наименований Основная часть работы изложена на 153 страницах, содержит 55 рисунков и 1 таблицу

Похожие диссертации на Особенности диэлектрических и механических свойств сегнетоэлектриков-сегнетоэластиков с магнитным упорядочением

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

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

Теплофизические свойства ряда фторкислородных сегнетоэластиков и сегнетоэлектриковПогорельцев, Евгений Ильич

Влияние особенностей молекулярной структуры на ориентационное упорядочение в нематической мезофазе Герасимов Александр Анатольевич

Мессбауэровские исследования особенностей свойств комплексов железа и олова в растворахДело, Мустафа Омар

Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3Горшков Александр Геннадьевич

Особенности свойств микронеоднородных сплавов PdMn_x Fe_1-x с взаимодействующими структурными и магнитными параметрами порядка Волкова Наталья Владимировна

Особенности динамических свойств кристаллической решетки редкоземельных диборидов в области магнитных фазовых превращенийЧукина Татьяна Александровна

Особенности тепловых свойств высокотемпературных сверхпроводников вблизи критической температурыАбдулвагидов, Шапиулаг Белалович

Особенности транспортных свойств в нормальном состоянии неупорядоченных и низкоразмерных сверхпроводниковМанохин Сергей Игоревич