26 июля 2022, 12:40

Свойства сегнетоэлектриков не обязательно обусловлены композиционным беспорядком

Материаловедение
Электрофизика

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.

Свойства сегнетоэлектриков не обязательно обусловлены композиционным беспорядком

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.

Источник:  Пресс-служба ЮФУ

Публикации из новости

Nonferroelectric relaxor dielectric properties of pyrochlore phases
Talanov M.V.
2022 цитирований: 0
Structural origin of strongly diffused ferroelectric phase transition in Ba(Ti, Zr)O3-based ceramics
Talanov M.V., Bush A.A., Sirotinkin V.P., Kozlov V.I.
Q1 Acta Materialia 2022 цитирований: 2
Domain-wall freezing in Cd2Nb2O7 pyrochlore single crystal
Talanov M.V., Pavelko A.A., Kamzina L.S.
Q1 Materials Research Bulletin 2022 цитирований: 1
Structural Diversity of Ordered Pyrochlores
Talanov M.V., Talanov V.M.
Q1 Chemistry of Materials 2021 цитирований: 12