Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в физике твердого тела существенно возрос интерес к гетерогенным структурам с характерным масштабом неоднородностей порядка 1 — 10 нм. Уже первые исследования показали, что благодаря квантовым эффектам и высокому вкладу поверхностной составляющей энергии наночастиц, они приобретают уникальные физические свойства. Однако, в отличие от случая канонических композиционных материалов, свойства которых хорошо изучены и могут с определенной точностью прогнозироваться на основе знаний свойств компонентов и их связности, физика наноком-позитных конденсированных сред находится в начале своего развития, которое стимулируется большой практической значимостью данных материалов.
В числе последних выделяют гранулированные нанокомпозиты, характеризующиеся сосуществованием ультрадисперсных металлической и диэлектрической фаз. Такое строение обусловливает появление у данных объектов ряда физических свойств, отличающих их от обычных материалов.
В частности, некоторые наногранулированные системы типа «ферромагнитный металл - диэлектрик» характеризуются эффектом гигантского магнито-сопротивления, малой магнитной анизотропией и другими особенностями, обусловливающими их использование в технике СВЧ, а также в качестве датчиков магнитного поля и в других электронных устройствах.
В настоящее время акцент преимущественно делается на изучение электрических и магнитных свойств наногранулированных конденсированных сред. Вместе с тем механизмы наблюдаемых в них явлений и закономерности их изменения под действием влияющих факторов до сих пор в полной мере не выяснены. Поэтому целесообразно расширить круг экспериментальных методов изучения наногранулированных материалов, включив в него методы, обладающие высокой чувствительностью к структурным перестройкам.
В связи с этим представляется актуальным проведение исследований, направленных на систематическое изучение упругих и неупругих свойств наногранулированных композитов, тем более что такие исследования до настоящего времени практически не проводились.
Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2-«Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5 - «Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика»). Диссертация является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по госбюджетной теме НИР № ГБ 2004.23 «Синтез, структура и физические свойства перепек-
тивных материалов электронной техники», а также грантов РФФИ 04-03-32509-а, 06-02-81035-Бел_а, 08-02-00840-а, 08-08-99043-р_рфи.
Цель работы. Целью работы является выяснение механизмов диссипации энергии инфранизкочастотных упругих колебаний в нанокомпозитных материалах систем: Co45Fe45Zr]0 - А1203, Со - CaF2 и Со Pbo,8iSro,o4(Nao.5Bio.5)o.i5(Zro.575Tio,425)03 при различном объеме металлической фракции и определение закономерностей влияния концентрации ферромагнитного компонента на магнитные свойства наногранулированного композиционного материала.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Изучить поведение упругого модуля и внутреннего трения наногранули-рованных композитов систем: (Co45Fe45ZrioX(Ab03)ioo-x, Cox(CaF2)10o-x и Cos[(Pbo,8iSro.o4(Nao,5Bio,5)o,i5(Zro,575Tio,425)03]ioo.x на инфранизких частотах в интервале температур 175 - 875 К.
-
Определить вклад металлической фракции в неупругие свойства исследуемых объектов.
-
Выяснить степень влияния материала диэлектрической матрицы на упругие и неупругие свойства нанокомпозитов.
-
Установить закономерности изменения магнитных свойств композитов при изменении в них доли металлической фракции.
-
Изучить влияние термообработки на механические и магнитные свойства материалов.
6. На примере системы Cox[(Pbo,8iSro,o4(Nao,5Bio,5)o.i5(Zro.575Tio,425)03]ioo-x
(Cox(PZT),Q0-x) исследовать особенности внутреннего трения в тонкопленочных
композитах с сегнетоэлектрической матрицей.
Научная новизна. Для напогранулированных композитов систем (O^FCsZrioMAhCbWx, Cox(CaF2),oo-x и Cox(PZT)100-x (20 < х < 80 ат. %) в настоящей работе впервые:
-
Получены данные о температурных зависимостях внутреннего трения в интервале температур 175 - 875 К.
-
Выделен вклад высокотемпературного фона внутреннего трения в диссипацию упругой энергии, обусловленный диффузией точечных дефектов в металлических гранулах в условиях ограниченной геометрии.
-
Показано, что обнаруженное экспериментально двукратное увеличение энергии активации высокотемпературного фона внутреннего трения при температурах выше « 700 К связано с ограничением диффузионного движения точечных дефектов границами частиц металлической фазы.
4. В интервале температур от 225 до 245 К обнаружены максимумы внут
реннего трения, связанные с прыжковым движением атомов внутри металличе
ских гранул. Определены концентрационные зависимости величины максиму
мов внутреннего трения.
5. Установлено, что в диэлектрической матрице композитов системы
Cox(PZT)10o-x с х < 50 ат. %, подвергшихся термическому отжигу при темпера
туре 875 К в течение 10 минут, реализуется сегнетоэлектрический фазовый пе
реход при температуре Т ~ 570 К.
6. Для нанокомпозиционных материалов системы Cox(PZT)|0o-x в окрест
ностях концентраций, соответствующих порогу перколяции (х„ « 60 ат. %),
имеет место существенное возрастание спонтанной намагниченности с ростом
х, сопровождающееся немонотонной концентрационной зависимостью коэрци
тивной силы.
Практическая значимость работы. Установленные в ходе исследований закономерности углубляют представления о физических свойствах нанокомпо-зитных твердых тел типа ферромагнетик - диэлектрик. Результаты, полученные в работе, позволяют осуществить целенаправленный синтез композиционных материалов с заданными магнитными свойствами. Они могут быть востребованы в научных лабораториях, занимающихся проблемами магнетизма, сегнето-электрических явлений и нанотехнологий, а также в лабораториях, связанных с разработкой изделий на основе гонкопленочных магнитных материалов. Нано-гранулированные композиты (Co45Fe45Zrio)x(Al203)ioo-x, Cox(CaF2)ioo-x и Cox(PZT)100_x могут быть использованы для изготовления изделий электронной техники, работающей в ВЧ и СВЧ диапазонах.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Экспоненциальный рост температурной зависимости внутреннего трения в наногранулированных композитах (Co45Fe45Zr,0)x(Al203)ioo-x, Cos(CaF2)ioo-x и Cox(PZT)|0o-x, связанный с термически активированной миграцией точечных дефектов в металлических включениях. Удвоение величины энергии активации высокотемпературного фона внутреннего трения при температурах выше я 700 К, обусловленное ограничением диффузионного движения дефектов размерами частиц мегаллической фазы.
-
Максимумы внутреннего трения в интервале температур 225 - 245 К в композитах (Co45Fe45Zri0)x(Al20i)io<)-4, Cox(CaF2),oo-x и Cox(PZT)l00.x, вызванные релаксационными процессами в металлических включениях под действием периодических механических напряжений.
3. Аномалии внутреннего трения и упругого модуля при температуре
Т = 570 К, наблюдаемые для подвергшихся термической обработке (10 мин. при
T = 875 К) композитов Cox(PZT)i00-x с концентрацией х < 50 ат. %, обусловленные зарождением и движением межфазных границ в диэлектрической матрице в окрестностях сегнетоэлектрического фазового перехода первого рода.
4. Максимум на концентрационной зависимости коэрцитивной силы для наногранулированных композитов системы Cox(PZT)i00.x вблизи х = 70 ат. %.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
111 Российской конференции "Физические проблемы водородной энергетики" (Санкт-Петербург, 2006); IX научной молодежной школе по твердотельной электронике "Нанотехнологии и нанодиагностика" (Санкт-Петербург, 2006); V Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 2006); XI Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 2007); 47 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2007); IX Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2007); XI Международной конференции по физике диэлектриков "Диэлектрики - 2008" (Санкт-Петербург, 2008); XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (BKC-XVIII) (Санкт-Петербург, 2008); 48 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2008); Международной конференции "15th International Conference on Internal Friction and Mechanical Spectroscopy (lOFMS-15)" (Перуджа, 2008); Международной конференции "5th International Conference on Broadband Dielectric Spectroscopy and its Applications (BDS-2008)" (Лион, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: получение экспериментальных данных по низкочастотному внутреннему трению [1-9, 12-14], диэлектрической проницаемости [11, 15] и намагниченности [10] полученных композитов, участие в обсуждении экспериментов, анализе полученных результатов и написании научных работ [1-15].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 137 наименований. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 85 рисунков и 1 таблицу.
