Свойства сегнетоэлектриков не обязательно обусловлены композиционным беспорядком
Сегнетоэлектрики используются в огромном количестве устройств современной электронной техники: от конденсаторов, медицинских и промышленных ультразвуковых излучателей до энергонезависимой оперативной памяти, которая имеет особое значение для космических аппаратов за счет своей повышенной радиационной стойкости. В новом исследовании ученый НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов обнаружил, что многие свойства сегнетоэлектриков, традиционно связываемые с композиционным беспорядком, могут наблюдаться в упорядоченных системах, что расширяет возможности создания новых материалов.
Материалы, обладающие спонтанной электрической поляризацией, направление которой «переключается» внешним электрическим полем, называются сегнетоэлектриками. Традиционно считается, что это происходит в результате переключения между состояниями «порядка» и «беспорядка». Особую роль в физике сегнетоэлектрических материалов играют сильно разупорядоченные системы — сегнетоэлектрики-релаксоры. Главное их достоинство заключается в том, что фазовый переход сильно размыт по температуре (в одной части он завершился, в другой только начинается), а потому полностью во всем объеме кристалла никогда не завершается.
«В рамках поиска новых сегнетоэлектрических материалов с повышенными функциональными характеристиками мы с коллегами из Российского технологического университета — МИРЭА и Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН обнаружили удивительную особенность при экспериментальном исследовании керамических образцов на основе системы Ba(Ti,Zr)O3. Она состояла в том, что отдельные образцы, отличающиеся по своему химическому составу, характеризуются высокими значениями параметров размытия сегнетоэлектрического перехода, сопоставимыми со значениями, известными для сегнетоэлектриков-релаксоров. Вместе с тем никаких других признаков релаксорного поведения обнаружено не было. Это позволило сделать предположение о том, что причины сильного размытия могут быть связаны с другим механизмом, который не связан с характерным для сегнетоэлектриков-релаксоров композиционным беспорядком», — рассказал доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов.
Для проверки своего предположения ученые провели дополнительные эксперименты по детальному исследованию кристаллической структуры образцов. С помощью методов теории групп Михаил Таланов проанализировал экспериментальные данные и показал, что сильное размытие фазового перехода наблюдается в образцах с очень специфичной кристаллической структурой, образованной за счет конкуренции смещений двух типов катионов. Теория групп была необходима, чтобы выделить именно ту составляющую структурных искажений и атомных смещений, которая связана с сегнетоэлектрическими свойствами, а следовательно, и с размытием фазового перехода.
«При изменении химического состава образцов в их структуре начинают преобладать смещения определенного типа и размытие ослабевает. ТНами обнаружен новый, геометрический по своей сути, структурный механизм размытия сегнетоэлектрического перехода, который обусловлен не композиционным беспорядком, как в сегнетоэлектриках-релаксорах, а особенным внутренним балансом атомных смещений, приводящим к их конкуренции», — заявил Михаил Таланов.
Этот результат расширяет возможности создания новых сегнетоэлектрических материалов, поскольку некоторые из важных для практического применения свойств (размытие сегнетоэлектрического перехода), которые характерны для неупорядоченных систем, могут быть достигнуты в упорядоченных структурах за счет специфического баланса атомных смещений. С практической точки зрения обнаруженный механизм может оказаться удобным инструментом для повышения температурной стабильности свойств сегнетоэлектрических материалов.
«Для меня важно, что эта работа является развитием идей, сформулированных мной в докторской диссертации — идей, которые относятся к направлению дизайна функциональных материалов. В этом году мои исследования в этой области получили поддержку в виде стипендии Президента РФ и нового проекта РНФ», — поделился Михаил Таланов.
