Учебное пособие 1833

УДК 538.956

НЕЛИНЕЙНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТКЛИК В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ ТИТАНАТЕ БАРИЯ

В.В. Запорожский, студент гр. ТФ-131, Д.А. Лисицкий, аспирант, В.М.О. Аль Мандалави, аспирант, Л.Н. Коротков

Кафедра физики твердого тела

В последние годы существенно возрос интерес физиков к проблемам наноразмерных структур. В основном это связано с их уникальными физико-химическими свойствами, в частности такими, которые отсутствуют в объемных материалах того же химического состава. Многочисленные исследования показали, что наряду с так называемым «размерным эффектом», значительное влияние на физические свойства оказывают механические напряжения, деполяризующее поле, а также дефекты кристаллической структуры. Известно, что совокупность этих факторов значительно влияют на линейную составляющую диэлектрической проницаемости. Нелинейный диэлектрический отклик наноразмерных сегнетоэлектриков в настоящее время мало изучен. В частности, это относится к нанокристаллическому титанату бария, который в объемном (обычном) состоянии является модельным сегнетоэлектриком.

Целью данной работы явилось изучение реверсивной диэлектрической нелинейности нанокристаллического титаната бария.

Для экспериментов использовали порошок BaTiO3, произведенный фирмой «Sigma-Aldrich» (США). Из порошка, частицы которого имели средние размеры около 90 нм и обладали при комнатной температуре кубической решеткой перовскита, были спрессованы образцы в виде дисков с диаметром 10 и толщиной 1 мм. Образцы подверглись термическому отжигу в течении 1 часа при температуре 1200 оС. Рентгенофазный анализ показал формирование тетрагональной сегнетоэлектрической фазы. Оценка размеров области некогерентности, сделанная с использованием формулы Дебая – Шеррера дала значение d 80 нм.

Результаты измерений зависимостей диэлектрической проницаемости ( ) от напряженности электрического смещающего поля (E) в сегнетоэлектрической и параэлектрической фазах представлены на рисунке – панели (а) и (b), соответственно.

Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности смещающего поля при 20 (a) и 160 оС (b). Направление изменения поля Е показано стрелками

Можно увидеть, что характер изменения под действием поля Е в сегнетоэлектрической и параэлектрической фазах существенно различаются. Анализ полученных результатов говорит в пользу существенного вклада доменного механизма в нелинейный диэлектрический отклик в полярной фазе. Наличие заметной нелинейности при температурах, лежащих значительно выше температуры Кюри, обсуждается.

11

УДК 53.043

ПРЯМОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДВУХСЛОЙНЫХ

САМОСМЕЩЕННЫХ КОМПОЗИТАХ Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – PbZr0,53Ti0,47O3 ПРИ ИЗГИБНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯХ

А.В. Калгин, С.А. Гриднев, Д.Р. Суворков, студент гр. НМ-131, А.А. Порядский, студент гр. ТФ-131

Кафедра физики твердого тела

Самосмещенные магнитоэлектрические (МЭ) композиты − материалы с внутренним постоянным магнитным полем, которые могут преобразовывать магнитное поле в электрическое (прямой МЭ эффект) и позволяют выявить максимальный МЭ отклик соответствующим выбором внутреннего постоянного магнитного поля.

В настоящей работе изучен прямой МЭ эффект в двухслойных самосмещенных ком-

позитах а Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – b PbZr0,53Ti0,47O3 (a TDF – b PZT, где a и b – соответственно толщины слоев Tb0,12Dy0,2Fe0,68 (TDF) и PbZr0,53Ti0,47O3 (PZT) в мм), которые были получены нанесением магнитострикционных слоев в виде градиенто-распределенных в эпоксидном

компаунде ферромагнитных гранул TDF на поляризованные по толщине пьезокерамические пластины PZT. В этих композитах напряженность внутреннего магнитного поля обусловлена величиной градиента распределения гранул TDF в магнитострикционном слое.

Частотная зависимость прямого МЭ эффекта в композите 0,9 TDF – 0,7 PZT с градиентным распределением гранул TDF вдоль длины слоя при 20 °C показана на рис. 1.

На зависимости 31(f) наблюдаются четыре пика, отвечающие частотам электромеханического резонанса fр образца композита при разных типах колебаний. Подобные зависимости были обнаружены и для других композитов a TDF – b PZT.

Типы колебаний образцов a TDF – b PZT на частотах fр1, fр2, fр3 и fр4 были определены, используя формулы для расчета резонансных частот образцов в случае изгибных и продольных колебаний. Сравнив рассчитанные и экспериментальные зависимости fр(a) (рис. 2), можно заключить, что fр1 соответствует резонансной частоте 1-й гармоники продольных колебаний по длине образца, fр2 − резонансной частоте 2-й гармоники изгибных колебаний по длине образца, fр3 − резонансной частоте 1-й гармоники продольных колебаний по ширине образца, а fр4 − резонансной частоте 2-й гармоники изгибных колебаний по ширине образца.

Магнитоэлектрические отклики во всех образцах композитов a TDF – b PZT на частотах fр больше в случае продольных, а не изгибных колебаний. Это делает продольные моды колебаний более предпочтительными для применений композитов в МЭ устройствах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-02-00072 и грант № 16-42-360412).

12

УДК 53.537

ОБРАТНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

В СЛОИСТОМ КОМПОЗИТЕ Fe0,45Co0.45Zr0.1 - ЦТС-35 - Fe0,45Co0.45Zr0.1

А.И. Котляров, студент гр. ПФм-151, М.В. Хахленков, аспирант, A.A. Камынин, С.А. Гриднев

Кафедра физики твердого тела

магнитного поля один из слоев магнитного материала имел толщину 9 мкм, а толщина второго слоя составляла 1 и 3 мкм. Образцы ЦТС-35 были получены по многостадийной керамической технологии и имеют форму пластин 5,5х5,5х0,45 мм3. Ферромагнитные слои были нанесены на пьезопластины методом ионно-лучевого распыления. Обратный магнитоэлектрический эффект изучался следующим образом. На образец подавалось переменное электрическое поле с частотой fr = 381 кГц, которая соответствует продольным резонансным колебаниям пьезоэлектрической пластины. При этом образец находился в катушке, с выводов которой снималось напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля. На рисунке 1 представлена зависимость магнитной индукции (возникающей вследствие эффекта Виллари) от напряженности электрического поля, подаваемого на пластину ЦТС-35. Видно, что имеет место критическое поле Е, при котором МЭ-эффект становится нелинейным и которое составляет 150 В/см и 400 В/см для образцов композита с толщиной магнитного слоя 3 мкм и 1 мкм соответственно. Коэффициент линейной магнитоэлектрической связи имеет величину порядка 0,1 мГс·см/В. Не трудно заметить также, что с увеличением толщины магнитного слоя величина магнитной индукции на нелинейном участке растет. Это можно объяснить следующим образом. С увеличением толщины магнитного слоя изменяется внутреннее самосмещенное магнитное поле, что приводит к увеличению суммарного магнитного момента М в соответствии с формулой:

M H ,

где σ – механической напряжение, λ – коэффициент магнитострикции, Н – магнитное поле

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-02-00072).

13

УДК 53.043

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДЫ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБРАЗЦА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА Ni–PZT–Ni

И.И. Попов, студент гр. ПФм-161, С.А. Гриднев

Кафедра физики твердого тела ВГТУ

Известно, что в области электромеханического резонанса величина отклика магнитоэлектрического (МЭ) композита резко возрастает. Типы и гармоники колебаний, возбуждаемых в композите, оказывают влияние на величину МЭ эффекта. Поэтому в данной работе были определены моды колебаний, возбуждаемых в образце композита Ni–PZT–Ni на резонансных частотах. Геометрические размеры пьезоэлектрической пластины состав-

ляли 5,90 × 5,87 × 0,56 мм3.

На рисунке представлена зависимость выходного напряжения Uвых образца композита от частоты f приложенного электрического поля. Можно видеть, что напряжение Uвых в зависимости от частоты f проходит через два пика при fр1 = 368 кГц и fр2 = 371,3 кГц.

Резонансные частоты образ-

по ширине образца. Близость резонансных частот объясняется тем, что длина и ширина образца композита незначительно отличаются друг от друга.

Наличие высоких значений выходного напряжения Uвых образца композита Ni–PZT–Ni на резонансных частотах fр1 и fр2 даёт основание предположить, что можно ожидать высоких значений МЭ-отклика. Запланировано проведение исследований прямого и обратного МЭ эффектов при наличии и отсутствии внешнего смещающего магнитного поля.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по гранту № 16-02-00072.

14

УДК 53.043

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕТРАХЛОРЦИНКАТА РУБИДИЯ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ ГЕОМЕТРИИ

Л.С. Стекленева, студент гр. ПФм-151, А.Н. Дудина, студент гр. ТФ-131, Л.Н. Коротков

Кафедра физики твердого тела

Известно, что свойства сегнетоэлектриков, внедренных в пористые матрицы с субмикронными и нанометровыми размерами пор, т.е. находящихся условиях ограниченной геометрии, могут существенно отличатся от свойств тех же веществ в объемном состоянии. Значительное влияние на физические процессы в таких материалах оказывают деполяризующее поле, механические напряжения, появляющиеся во внедренных частицах, в частности, из-за различных коэффициентов термического расширения и др.

Для экспериментального разделения этих факторов целесообразно использовать в качестве внедренных частиц материалы, претерпевающие последовательно, как сегнетоэлектрические (СЭ), так и несегнетоэлектрические фазовые переходы. Удобным в этом отношении материалом является тетрахлорцинкат рубидия (Rb2ZnCl4), который при понижении температуры испытывает переход в несоразмерную около Тi 303 К, а затем СЭ фазовый переход при ТС 192 К. Данные переходы сопровождаются аномалиями на температурной зависимости диэлектрической проницаемости ( ). Это обстоятельство делает диэлектрические измерения весьма информативными для изучения закономерностей проявления эффекта ограниченной геометрии.

Целью настоящей работы явилось экспериментальное изучение диэлектрических свойств композитов, полученных путем внедрения тетрахлорцинката рубидия в пористые стеклянные матрицы со средним диаметром ор 23 и 320 нм.

Полученные зависимости (Т) представлены на рисунке.

Температурные зависимости емкости образцов композитов, полученных путем внедрения тетрахлорцинката рубидия в пористые стеклянные матрицы со средним диаметром ор 23 (а) и 320 (b) нм

Результаты эксперимента показали снижение температуры СЭ фазового перехода и его размытие с уменьшением диаметра пор. Установлено, что ТС 157 и 149 К в случае композитов на основе пористых стекол со средним диаметром пор 320 нм и 23 нм, соответственно.

15

УДК 53.537

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА (1 - х) BiFeO3 - x MgFe2O4

М.В. Хахленков, аспирант, А.С. Шпортенко, студент гр. ТФ-131, A.A. Камынин, С.А. Гриднев

Кафедра физики твердого тела

Феррит висмута BiFeO3 (BF) – один из перспективных высокотемпературных мультиферроиков. Главный недостаток BF – отсутствие объемного магнитного момента, что обусловлено пространственной модуляцией намагниченности с периодом 62 нм.Спинмодулированную структуру пытались подавить различными способами.Однако все эти подходы приводили лишь к незначительному улучшению магнитных свойств BF. В данной работе указанная проблема решалась другим способом. По многостадийной керамической тех-

нологии было получено семейство композитов (x- 1) BiFeO3 - xMgFe2O4, где x = 0; 0,01; 0,05; 0,1; 0,2 и 1. Целью работы было изучение концентрационной зависимости магнитной проницаемости композита (x - 1) BiFeO3 - xMgFe2O4. На рисунке (зависимость 1) представлена концентрационная зависимость магнитной проницаемости композита, полученная экспериментальным путем при комнатной температуре, из которой видно, что с увеличением содержания MgFe2O4 возрастает значение магнитной проницаемости композита μeff. Принимая во внимание, что при концентрациях х ниже порога перколяции композит можно рассматривать как статистическую смесь гранул, то для расчета его магнитной проницаемости можно воспользоваться методом эффективных параметров гетерогенных сред. Согласно этому подходу гетерогенная структура композита, состоящего из гранул MgFe2O4 с магнитной проницаемостью μe, распределенных случайным образом в матрице BiFeO3cпроницаемостью μi, рассматривается как однородная среда с некоторой эффективной магнитной проницаемостью μeff. Существует большое число формул смешения для расчета эффективных параметров статистических смесей, основанных на различных теоретических предпосылках и экспериментальных данных, которые учитывают разные условия проведения эксперимента, различную геометрическую форму включений и типы композитов. В частности, для описания полученной в эксперименте концентрационной зависимости μeffкомпозита мы использовали формулу Луенга, которая для случая включений сферической формы имеет следующий вид:

Кроме того, использовалась также формула смешения, предложенная Лихтенеккером

На рисунке 1 можно заметить, что рассчитанные по формулам (1) и (2) зависимости располагаются значительно ниже экспериментальной, что может свидетельствовать о влиянии магнитного упорядочения в MgFe2O4 на намагниченность BF, т.е. о частичном разрушении в BF спин-модулированной структуры.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-32-00697).

16

УДК 538.911, 539.533

ВЛИЯНИЕ ПОТЕНЦИАЛА СМЕЩЕНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ НА СОСТАВ, СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФАТ-КАЛЬЦИЕВЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

В.А. Дыбов, аспирант, А.В. Костюченко, Р.Н. Пономарев, студент группы ТФ-121

Кафедра физики твердого тела

Методами рентгеноспектрального микроанализа, рентгеновской дифрактометрии, атомно-силовой микроскопии, измерительного наноиндентирования проведено сравнительное исследование элементного, фазового состава, структуры, морфологии поверхности и механических свойств покрытий толщиной 1,0 мкм, полученных в процессе высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР) мишени гидроксиапатита (ГА) в условиях электрического потенциала смещения плюс 150, минус 150 В и без потенциала на подложках (титан, Si).

Элементный состав. Установлено, что наличие отрицательного потенциала смещения на подложках приводит к многократному повышению соотношения Са/Р в конденсируемых покрытиях (до 39,0) по сравнению с исходной мишенью (1,72). Эффект потенциала может быть связан с экранированием ионов РО43-. Величина соотношения Ca/P в объеме покрытий, полученных в условиях положительного потенциала смещения на подложках, значительно ниже (1,07) соотношения в исходной мишени. Кроме того, наблюдалось снижение доли кислорода в покрытиях по сравнению с покрытиями, полученными на соответствующих подложках при отрицательном потенциале смещения. Такой результат может быть обусловлен экранированием ионов СаО+ и катионов Са+ и О+ в конденсируемом потоке.

Фазовый состав и структура. На ненагретых подложках, расположенных в процессе ВЧМР над зоной эрозии мишени, в условиях отсутствия потенциала смещения формируются однофазные нанокристаллические ГА покрытия с преимущественной ориентацией ГА по оси <0001> , нормальной к поверхности подложки. В условиях отрицательного потенциала смещения формируются аморфно-нанокристаллические покрытия, нанокристаллические фазы в которых представлены пирофосфатом кальция Са2Р2О7 и оксидом кальция СаО. В условиях положительного потенциала смещения на поверхности Si и Ti формируются аморфно-нанокристаллические покрытия, нанокристаллической фазой в которых является ГА. Формирование аморфной фазы может быть связано с ослаблением эффекта плазмы ВЧ разряда.

Морфология поверхности. Покрытия, полученные в условиях отсутствия потенциала смещения на подложке, имеют относительно гладкую поверхность. Величина средней шероховатости поверхности составляет около 4 нм. Покрытия с наиболее развитым рельефом формируются на подложках с отрицательным потенциалом смещения. Средняя шероховатость поверхности покрытий составляет около 70 нм. Наименее развитый рельеф характерен для поверхности покрытий, синтезированных на подложках с положительным потенциалом смещения.

Механические свойства. Установлено, что твердость покрытий, полученных на титане при нулевом потенциале смещения, максимальна и характерна для твердости нанокристаллического ГА (8,5 ГПа). Твердость покрытий, полученных при положительном потенциале смещения, ниже и соответствует твердости аморфных ФК состава ГА (4,8 ГПа). Минимальной величиной твердости обладают покрытия, полученные при отрицательном потенциале смещения (3,5 ГПа), вследствие наличия CаО.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№15-03-09186).

18

УДК 548.535

СТРУКТУРА ГРАНИЦ ЗЕРЕН В ФОСФАТАХ КАЛЬЦИЯ

А.В. Костюченко, С.А. Солдатенко, Е.Н. Федорова

Кафедра физики твердого тела

Методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения исследована субструктура

–межзеренных границ в компактной керамики гидроксиапатита (ГА), полученной

одноосным прессованием под давлением 150 МПа порошка ГА и последующей термической обработкой при 1200 0С в течение 2 часов, и межзеренных границ в тонких однофазных пленках ГА толщиной 50-100 нм, полученных на подложках фторфлогопита в процессе высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР) в среде аргона керамической мишени ГА с последующим ТО (650ºС, 1час, воздух);

–межфазных границ ГА/трехкальциевый фостфат (ТКФ) в двухфазных пленках, полученных на подложке фторфлогопита (620ºС) в процессе ионно-лучевого распыления мишени ТКФ в аргоно-кислородной среде.

Установлено, что субмикрокристаллическая керамика ГА и нанокристаллические пленки ГА имеют компактную структуру. Нанопоры на границах и в тройных стыках не наблюдаются. Границы зерен (ГЗ) в керамике и пленках, как правило, плоские, в некоторых случаях с переменным радиусом кривизны, обусловленным различием локальной термодинамической силы и подвижностью ГЗ. Установлено, что более половины неискривленных границ в отожженной керамике и пленках фасетированные. При этом характерным является

фасетирование по призматическим плоскостям системы {1 1 00} одного из соседних кристал-

лов (в случае неплоских ГЗ плоскости {1 1 00}, параллельные ГЗ, наблюдаются в зерне с выпуклой границей). Высота ступеней таких фасе-

ток кратна d1-100 ≈0,8 нм рисунок. С учетом установленных особенностей фасетирования гра-

ниц зерен ГА и того, что в решетке ГА плоскости {1 1 00} отличаются минимальной энергией, сделан вывод, что механизм рекристаллизационного роста одного из двух соседних зерен при их произвольной взаимной ориентации можно описать слоевым нарастанием вдоль фронта, параллельного одной из призматических плоскостей ГА системы {1 1 00}. При этом в процессе наращивании каждого слоя в растущем зерне структурная перестройка в зерне-доноре независимо от его ориентации охватывает слой толщиной около 8 Å.

Установлено существование в керамике и пленках ГА частично когерентных большеугловых границ зерен, на которых размерное и ориентационное несоответствие компенсируется образованием периодической сетки зернограничных дислокаций решеточного типа. Периодическая субструктура большеугловых границ зерен ГА соответствует модели Памфри, описывающей сопряжение наиболее плотных плоскостей малых индексов.

Для межфазных границ ГА-ТКФ установлена закономерность, аналогичная наблюдаемой для межзеренных границ в ГА: фасетирование происходит по плотноупакованным плоскостям.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№15-03-09186).

19

УДК 537.9

СИНТЕЗ ЦТС СОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ

Д.В. Сериков1, аспирант, В.Ю. Тунееков2, студент гр. ХФМН-121

1 Воронежский государственный технический университет

2Воронежский государственный университет

Вработе исследованы: элементный, фазовый состав и структура покрытий, полученных на кремнии методом высокочастотного магнетронного распыления керамической

мишени состава Pb(Zr0,53Ti0,47)O3, в среде аргона (давление Ar = 0,4 Па, удельная мощность ВЧ разряда 100 Вт см-2). ЦТС содержащие покрытия получали по одностадийной и двустадийной технологии. В первом случае напыление проводилось на нагретую до 400° С, а во втором на не подогреваемую подложку, с последующей термической (ТО) или импульсной фотонной обработкой (ИФО).

По результатам рентгеновской дифракции (РД) следует, что напыление на горячую подложку приводит к образованию кристаллических фаз со структурой соответствующей решеткам ЦТС, TiO2 и Pb2Ti2O8 со средним размером ОКР порядка 11 нм (образец № 1). По результатам РД кристаллической фазы в пленке, полученной напылением на не подогреваемую подложку, не обнаружено (образец № 2). С целью формирования кристаллической структуры, образцы с аморфным покрытием подвергали ТО (550 °С (образец № 2а)) и ИФО (140 Дж/см2 (образец № 2б) и 200 Дж/см2 (образец № 2в) на воздухе и в среде аргона.

Анализ рентгеновских дифрактограмм покрытий, прошедших ИФО при дозе 140 Дж/см2, показывает образование смеси кристаллических фаз ЦТС, ZrO2, PbZrO3. Средний размер ОКР пленки составляет порядка 19 нм. Увеличение дозы облучения, до 200 Дж/см2, приводит к образованию ZrO2 и TiO2 с размером ОКР ~ 35 нм. Элементный состав распыляемой мишени и полученных покрытий приведен в таблице.

Элементный и фазовый состав мишени и покрытий

На основании результатов проведенной работы сделали выводы:

1.Метод ВЧМР позволяет получить покрытие близкое к составу распыляемой мишени (отклонение < 2 %);

2.Покрытие, полученное напылением на горячую подложку, содержит фазу ЦТС;

3.Установлен эффект фотонной активации синтез ЦТС содержащих покрытий.

20