Введение к работе
Актуальность темы. Наноструктурированные материалы являются объектом растущего интереса для фундаментальной и прикладной науки, поскольку они обладают новыми свойствами, обусловленными возрастающей ролью поверхности и квантово-размерными эффектами. Одним из способов получения малых частиц является внедрение исследуемого вещества в пористые матрицы, характерный размер пор которых лежит в нанометровом диапазоне. Свойства полученных таким образом наночастиц могут отличаться от свойств изолированных малых частиц, поскольку в этом случае сказываются взаимодействие между частицами и пористой матрицей, а также между самими частицами.
Заполненные пористые матрицы рассматривают как перспективные нанокомпозитные структуры для промышленного применения. Поэтому в последнее время активно изучаются композиты на основе матриц, заполненных металлами, органическими жидкостями, супериониками, сегнетоэлектриками и другими веществами [1]. Сегнетоэлектрические свойства частиц в нанопористых матрицах изучены сравнительно мало. Ряд работ был посвящен исследованию сегнетоэлектрических свойств нитрита натрия, внедренного в силикатные нанопористые матрицы, фотонные кристаллы, пористые стекла. Имеются работы, посвященные исследованию сегнетовой соли в молекулярных решетках и в пористых пленках оксида алюминия. Влияние размера частиц на формирование сегнетоэлектрической фазы наблюдалось для нитрата калия. Изучались также фазовые переходы для твердых растворов Na1-xKxNO2, введенных в нанопористые стекла [2-5]. Однако, выводы работ, посвященных изучению свойств сегнетоэлектриков в нанопористых матрицах, противоречивы и данная тема требует дальнейших исследований.
Цель диссертационной работы – исследовать свойства сегнетоэлектрических твердых растворов в мезопористых силикатных матрицах МСМ-41 с размерами пор 37 и 26,1 .
В качестве объектов исследования были выбраны материалы, полученные путем заполнения мезопористых силикатных матриц нитратом калия (KNO3) и его твердыми растворами: K1-xNaxNO3,
K1-xAgxNO3, K(NO3)1-x(NO2)x, (KNO3)1-x(NaNO2)x для x = 0,05 и 0,10.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать методику получения и внедрения твердых растворов на основе нитрата калия в нанопористые силикатные матрицы.
-
Исследовать диэлектрические свойства e*(T) и e*(E) нанокомпозитов на основе KNO3 и его твердых растворов.
-
Изучить влияние примесей NaNO3, AgNO3, KNO2 и NaNO2 на свойства нитрата калия для объемного состояния и в условиях ограниченной геометрии.
Научная новизна
-
Впервые исследованы диэлектрические свойства твердых растворов K1-xNaxNO3, K1-xAgxNO3, K(NO3)1-x(NO2)x, (KNO3)1-x(NaNO2)x
(x = 0,05 и 0,10) в мезопористых силикатных матрицах МСМ-41 с размерами пор 37 и 26,1 . -
Обнаружено, что для нанокомпозитов на основе KNO3 происходит расширение температурной области существования сегнетоэлектрической фазы.
-
Для нанокомпозитов с KNO3 и твердыми растворами на его основе обнаружено увеличение температуры реконструктивного перехода при уменьшении размера пор.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Внедрение KNO3 в поры МСМ-41 размером 26,1 приводит к увеличению температурной области существования сегнетофазы более, чем на 30 K по сравнению с объемными образцами.
-
Диэлектрическая проницаемость и проводимость возрастают при увеличении концентрации примеси как в объемных образцах, так и в условиях ограниченной геометрии.
-
Уменьшение размера пор силикатных матриц МСМ-41, заполненных KNO3 и его твердыми растворами, приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и проводимости.
-
Для твердых растворов K1-xNaxNO3, K(NO3)1-x(NO2)x,
(KNO3)1-x(NaNO2)x (x = 0, 0,05 и 0,10) в условиях ограниченной геометрии происходит сдвиг температуры реконструктивного перехода из фазы II в фазу I в область более высоких температур при уменьшении размера пор. Величина этого сдвига возрастает с повышением содержания примеси.
Практическая значимость. Проведенные исследования нанокомпозитов на основе KNO3 и его твердых растворов дополняют сведения о физических явлениях, происходящих в сегнетоэлектриках в условиях ограниченной геометрии. Исследования в этом направлении актуальны в связи с широким спектром применений сегнетоэлектриков в электронной технике, развивающейся в направлении все большей миниатюризации соответствующих устройств (суперконденсаторы, энергонезависимая память и т.д.). Поэтому становится принципиально важным вопрос о существовании критических размеров наночастиц, ниже которых сегнетоэлектрические свойства существенно меняются или вовсе исчезают.
Значимость результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в том, что они существенно расширяют и уточняют представления о влиянии размера частиц на свойства сегнетоэлектрических твердых растворов на основе нитрата калия, что является важным как в общефизическом плане, так и в практических целях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: международной научной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур» (Хабаровск, 2008); V международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, 2008); VI международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 2009); IX китайско-российском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Китай, Дзясин, 2009); «Восемнадцатой всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков» (Санкт-Петербург, 2008); третьей всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2009» (Екатеринбург, 2009); региональных научно-практических конференциях «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (Благовещенск, 2008, 2009); VIII региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Благовещенск, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей, из них 5 – в журналах, входящих в список ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; включает 47 рисунков, 2 таблицы и библиографию из 200 наименований. Общий объем диссертации – 114 страниц машинописного текста.
