Введение к работе
Актуальность темы
Создание двух- или многокомпонентных систем является традиционным и эффективным способом физического материаловедения, позволяющим разрабатывать новые материалы со свойствами, превосходящими свойства индивидуальных компонент системы, а в ряде случаев, получать материалы с новыми свойствами, которыми не обладают отдельные компоненты системы.
Соединения со структурой перовскита демонстрируют многообразие
физических свойств (сегнетоэлектрические, сегнетоэластические,
пьезоэлектрические, ферро- и ферримагнитные, высокотемпературная сверхпроводимость и т.д.), благодаря чему находят широкое применение как уникальные объекты исследования для фундаментальной науки, так и перспективные материалы для разнообразных практических применений.
Разрабатываемая в диссертационной работе перовскитовая система БгТіОз - ВіБсОз является новой системой. Ее краевые компоненты при комнатной температуре характеризуются существенно различной кристаллической структурой (кубической РтЗт структурой у БгТіОз и моноклинной С2/с у ВіБсОз), а БгТіОз является, кроме того, виртуальным сегнетоэлектриком. Поэтому можно ожидать, что при некоторых молярных концентрациях будет происходить переход от одной кристаллической структуры к другой, в том числе, и посредством формирования промежуточных фаз, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами за счет частичного замещения ионов Sr ионами Bi и ионов Ті ионами Sc .
С позиции физики конденсированного состояния исследование системы БгТіОз - ВіБсОз позволяет установить возможность и закономерности формирования сегнетоэлектрического состояния (или релаксорного состояния) в двухкомпонентных твердых растворах, состоящих из несегнетоэлектрических компонент.
С точки зрения возможных практических применений результаты исследования системы БгТіОз - BiScCb могут быть использованы при разработке новых бессвинцовых керамических материалов для пьезоэлектрических применений, при поиске материалов с высокой ионной проводимостью для применения в качестве твердых электролитов, а также при разработке новых подходов к созданию релаксорных сегнетоэлектриков.
Цель работы - установление закономерностей изменения кристаллической структуры и фазового состава, а также идентификация и анализ особенностей диэлектрических свойств керамических материалов различного состава системы БгТіОз - BiScCb в широком интервале молярных концентраций компонент.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи.
Разработана технология получения и синтезированы керамические образцы твердых растворов (1 - x)SrTi03 - xBiScCb с составами 0 < х < 0,50.
Определены закономерности изменения фазового состава и структуры (тип и количество фаз, соотношение объемов фаз, тип кристаллической решетки, параметры элементарной ячейки различных кристаллических структур) синтезированных керамических образцов в зависимости от состава.
Установлена природа особенностей диэлектрических свойств синтезированных керамических образцов различного состава:
а) идентифицированы и проанализированы изменения диэлектрических
свойств, обусловленные размытым сегнетоэлектрическим фазовым переходом, с
определением следующих количественных характеристик: температура Бёрнса,
степень размытия фазового перехода, температура и постоянная Кюри - Вейсса,
параметры модели сферического стекла (среднее значение и дисперсия энергии
взаимодействия полярных кластеров, дисперсия случайного поля);
б) определены особенности поведения диэлектрических свойств в области
температур при Т > 500 К, обусловленные процессом диэлектрической
релаксации и электропроводностью.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые синтезированы керамические образцы системы (1 - x)SrTi03 - xBiSc03 с х = 0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45 и 0,50 и получена совокупность экспериментальных данных об их структуре и электрофизических свойствах для интервала температур 80 - 800 К, на основе анализа которой:
Установлено, что в образцах с 0,20 < х < 0,45 реализуется размытый сегнетоэлектрический фазовый переход, характеризующийся сосуществованием полярной тетрагональной и неполярной кубической фазы в температурной области реализации фазового перехода.
Определены закономерности изменения параметров размытия фазового перехода в зависимости от концентрации х.
Идентифицированы особенности в поведении упругих свойств при размытом сегнетоэлектрическом фазовом переходе.
Сделаны оценки энергии активации процесса высокотемпературной диэлектрической релаксации (на основе анализа диаграмм Коул - Коула) и электропроводности (из температурных зависимостей электропроводности).
Практическая значимость работы
Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы при разработке новых материалов со структурой перовскита, обладающих специфическими физическими (сегнето-, пиро-, пьезоэлектрическими, сег-нетоэластическими и т.д.) свойствами, в частности при поиске новых эффективных бессвинцовых пьезокерамических соединений.
Полученные в ходе выполнения работы результаты зарегестрированы в качестве «ноу - хау» «Состав композиции для получения сегнетоэлектрического материала».
Основные положения, выносимые на защиту
В керамических соединениях системы (1 - x)SrTi03 - xBiScCb с 0,05 < х < 0,50 образуется полярная тетрагональная фаза с симметрией Р4тт, отличной от симметрии краевых неполярных компонент.
В двухкомпонентной системе (1 - x)SrTi03 - xBiScCb с 0,20< х< 0,45, состоящей из несегнетоэлектрических компонент, формируется сегнето-электрическое релаксорное состояние.
Степень размытия сегнетоэлектрического фазового перехода при возрастании степени химической микронеоднородности системы (1 - x)SrTi03 -xBiScCb с 0,20 <х < 0,45 увеличивается.
Энергии активации высокотемпературного релаксационного процесса и высокотемпературной электропроводности в образцах системы (1 - x)SrTi03 - xBiScCb с х = 0,20; 0,30 и 0,40 совпадают с точностью до 98%.
Связь работы с научными программами и темами
Диссертационная работа выполнена в Научно-образовательном центре «Керамические и композиционные материалы» Белгородского государственного национального исследовательского университета в рамках государственных контрактов № П1685 «Разработка новых бессвинцовых керамических материалов на основе морфотропных твердых растворов систем БгТіОз - ВіБсОз и Кі/2Ві1/2ТіОз - BiSc03 для пьезоэлектрических применений» и № 02.740.11.0399 «Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований и совершенствование системы подготовки высококвалифицированных специалистов в рамках НОЦ «Керамические и композиционные материалы» (Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: The 5 International Seminar on Ferroe-lastic Physics (Воронеж, Россия, 2009), XXII Международная научная конференция «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, Россия, 2010), 12 International Ceramics Congress (Montecatini Terme, Tuscany, Italy, 2010), Международная научная конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, Россия, 2010), XIX Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (Москва, Россия, 2011), 181 International Conference on Composite Materials (Jeju, Korea, 2011).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе шесть - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельство о регистрации «ноу-хау».
Личный вклад
В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: приготовление образцов, подготовка экспериментов, получение и анализ экспериментальных данных. Обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати проводились при участии научного руководителя д.ф.-м.н. Иванова О.Н.
Соавторы публикаций к.х.н. Тарасова И.Д., Колесников Д.А., Марадудина О.Н. принимали участие в аттестации исследуемых образцов, к.ф.-м.н. Сирота В .В. -в получении образцов, Тучина Ю.С. - в проведении экспериментов по изучению диэлектрических свойств образцов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов, выводов и списка литературы из 151 наименования. Основная часть работы изложена на 161 странице, содержит 74 рисунка и 11 таблиц.
