Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется поиску и исследованиям новых магнитоэлектрических (МЭ) материалов, поскольку в них наблюдается взаимосвязь процессов намагничивания и электрической поляризации. Это позволяет на основе МЭ эффекта создавать приборы функциональной электроники, в которых управление осуществляется не только магнитным, но и электрическим полем. Однако в монокристаллах величина МЭ эффекта невелика, что послужило стимулом для создания магнитоэлектрических композиционных материалов, в которых величина МЭ эффекта значительно больше, чем в монокристаллах.
Несмотря на достаточно большое число экспериментальных и теоретических исследований МЭ композитов, многие важные вопросы не решены еще до сих пор. Отсутствуют надежно установленные механизмы, ответственные за магнитоэлектрический и магнитодиэлектрический эффекты, природу электрического транспорта, эффекты электрической и магнитной памяти, а также усиление магнитоэлектрических свойств в области электромеханического резонанса в гранулированных нано- и микрокомпозитах.
Не уделяется должного внимания вопросам оптимизации составов исходных компонентов, а вопросы химического межфазного взаимодействия зачастую не обсуждаются вовсе. В большинстве работ не рассматриваются упругие и неупругие, а также пьезоэлектрические свойства материалов, хотя знание их необходимо для понимания природы магнитоэлектрических взаимодействий в композитах.
Поэтому комплексное исследование физических свойств композитов фер-ромагнетик-сегнетоэлектрик разного типа и особенностей МЭ эффекта в феррит-пьезоэлектрических структурах, выяснение факторов, влияющих на МЭ чувствительность представляет собой актуальную физическую проблему.
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 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 04.23 "'Синтез и физические свойства современных материалов твердотельной электроники", а также по грантам РФФИ № 06-02-96310 «Влияние технологии получения и обработки на кинетику полярных нанообластей и физические свойства сегнетоэлектрических материалов». РФФИ № 07-02-00228 «Нано- и микрогетерогенные мультиферроичные структуры типа сегнетоэлектрик-ферромагнетик» и Американского фонда гражданских исследований и разработок (CRDF) проект № PG 05-010-1.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей и особенностей поведения электрических и транспортных свойств наноком-позитов Сох(ЦТС)іоо-х и Сох(1лМЬОз)юо-х; исследование природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых керамических композитах Nio,4Zno6Fe204 - PbZr0>53Tio74703, а также изучение диэлектрических, упругих и
неупругих свойств смесевых микрокомпозитов (x)Nio,4Zn0i6Fe204 - (1-
X)PbZr0>53Tio,4703.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
1. Получение тонкопленочных нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х и
Cox(LiNb03)шо-х- керамических смесевых микрокомпозитов и слоистых компози
тов Ni0i4Zn0i6Fe2O4 - PbZro^Tio^Ch и проведение комплексного исследования их
структуры и физических свойств.
-
Установление взаимного влияния фаз в смесевых магнитоэлектрических микрокомпозитах (xJNio^Zno^Fe^C^ - (l-x)PbZr0,53Tio,4703.
-
Изучение магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых композитах Ni0)4Zno,6Fe204 - PbZr0,53Tio,47C>3.
-
Сравнительное исследование диэлектрических, упругих, неупругих и транспортных свойств нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х, Cox(LiNb03)]oo-x и смесевых микрокомпозитов (x)Nio,4Zno?6Fe204 - (l-x)PbZro?53Ti04703 в широком интервале температур.
-
Исследование процессов кристаллизации и структурной релаксации в аморфных тонкопленочных нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х-
Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные нанокомпозиты Сох(ЦТС) 100-х- Cox(LiNb03)ioo-x> а также сме-севые и слоистые композиты (x)Nio,4Zn0.6Fe204 - (l-x)PbZro,53Tio,47C>3 с концентрациями х = 0, 20, 40, 60, 80, 100%. Выбор таких материалов был обусловлен следующими причинами:
- все выбранные для изучения композиты являются магнитоэлектриче
скими и могут рассматриваться как модельные системы для установления ос
новных закономерностей поведения физических свойств;
смесевые и слоистые композиты (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (1-x)PbZr0)53Ti0,47O3 удобны для исследования, так как обладают как сегнетоэлек-трическими, так и магнитными свойствами при температурах выше комнатной;
тонкопленочные наноматериалы обладают рядом специфических свойств, значительно отличающихся от свойств массивных образцов;
подбирая число слоев многослойного композита Ni0,4Zn0j6Fe2O4 -PbZro,53Tio,4703, можно получить оптимальную величину магнитоэлектрического эффекта.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований керамических и слоистых композитов (x)Ni0>4Zno,6Fe204 - (l-x^bZro^Tio^Cb, а также тонкопленочных нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х и Cox(LiNb03)ioo-x получены автором впервые и заключаются в следующем:
1. На основе эксперимент&тьных данных и компьютерного анализа доказано взаимное влияние сегнетоэлектрической и ферримагнитной фаз в смесевых микрокомпозитах (x)Ni0i4Znop6Fe204 - (l-x)PbZr0,53Tio,4703, приводящее к понижению температур Кюри и Нееля.
-
Для двух- и трехслойных композитов Nio74Znoi6Fe204 - установлена зависимость электрического отклика от напряженности магнитного поля. В рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды и термодинамической теории Ландау сделаны оценки величин магнитоэлектрического коэффициента по напряжению сіе, которые по порядку величины согласуются с экспериментальными значениями.
-
Обнаружен и изучен магнитодиэлектрический эффект в слоистых керамических композитах Nio,4Zn0i6Fe204 -РЬ2го,5зТіо,4?Оз, который качественно объясняется на основе термодинамического подхода.
-
Определены механизмы электропроводности и температуры кроссоверов, при которых происходит смена механизмов проводимости в тонкопленочных на-нокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х, Сох(ЬіМЬОз)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Ni0,4Zno,6Fe204 - (1-х)РЬгг0?5зТіо,470з-
-
Обнаружено, что структурная диэлектрическая релаксация вблизи температуры стеклования в аморфной фазе нанокомпозита Сох(ЦТС)юо-х является термически активированной, необратимой и качественно может быть описана моделью Траченко с показателем степени р=0.23-0.67 в уравнении Кольрауша.
-
В рамках механизма Колмогорова-Аврами определены основные параметры процесса кристаллизации аморфных нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-\ в зависимости от содержания фаз х, температуры, напряженности внешнего электрического поля и частоты.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Экспериментальное обнаружение и объяснение природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в двух- и трехслойных композитах Nio^Zn06Fe204 - РЬгго5зТіо4?Оз.
-
Совокупность доказательств, свидетельствующих о взаимном влиянии ферримагнитной и сегнетоэлектрической фаз в смесевых композитах (x)NIi0.4Zno,6Fe204 - (l-x)PbZr0|53Tio,4703, полученных по керамической технологии.
-
Экспериментальное определение механизмов проводимости в тонкопленочных магнитоэлектрических нанокомпозитах Сох(ЬіМЬОз)юо-х, Сох(ЦТС)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Nio.4Zno>6Fe204 - (l-x)PbZr0,53Tio,4703.
-
Экспериментальные данные о структурной релаксации в нанокомпозитах Сох(ЦТС) юо-х. и результаты исследования влияния амплитуды и частоты переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной фазы в нанокомпозитах Сох(ЦТС)іоо-х-
Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 11 Международных, Всероссийских и других научных конференциях: Международной конференции "Пьезотехника-2005" (Азов, 2005), XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005), Internationa) scientific-practical conference "Structural relaxation in solids" (Винница, 2006), VIII Russia/Cis/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (Japan, Tsukuba, 2006), 5 International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2006), 9-th Intern. Symp. on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (ISFD-9, Dresden,
Germany, 2006), XI Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругим явлениям в твердых телах (Тула, 2007), VI Всероссийской школе-конференции по нелинейным процессам и проблемам самоорганизации в современном материаловедении (Воронеж, 2007), Second International Symposium «Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics» (Ekaterinburg, 2007), International Meeting on Materials for Electronic Applications (IMMEA, Marrakech, Morocco, 2007), XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: приготовление смесевых и слоистых образцов [18-20] и подготовка к эксперименту, а также получение и анализ экспериментальных данных [1-20], обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати [1-20].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 121 наименования. Основная часть работы изложена на 192 страницах и содержит 102 рисунка.
Похожие диссертации на Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3
