Введение к работе
Актуальность темы. Изучение закономерностей проявления размерного эффекта в системах ультрадисперсных частиц различной топологии и размерности является одной из актуальных задач современной физики конденсированного состояния, имеющей важное прикладное значение, обусловленное интенсивным развитием нанотехнологий. Отдельной фундаментальной задачей является выяснение вопроса о влиянии эффекта "ограниченной геометрии" на фазовые превращения и возникновение равновесных и метастабильных состояний в объектах, в которых важную роль играют дальнодействующие силы взаимодействия. Изучение таких объектов начато сравнительно недавно. Причем основное внимание уделяется исследованию сегнетоэлектрических тонких пленок, гранулированных материалов и т.п. В то же время существует целый класс нанокомпозитов на основе материалов, внедренных в нанометровые поры пористых матриц и демонстрирующих необычные физические свойства. Здесь внедренные вещества образуют либо систему изолированных частиц, либо сложную дендритную структуру, определяемую размерами и топологией пор исходной матрицы, поверхностным натяжением, смачиваемостью и т.п.
Исследования, проведенные рядом авторов, показали, что эффект "ограниченной геометрии" по-разному проявляется для разных типов сегнетоэлек-триков. Это обстоятельство указывает на сильное взаимодействие матрицы и внедренного материала, механизмы которого пока не вполне ясны.
Тема диссертации соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденному Президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированного состояния вещества"). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ГОУ ВПО „Воронежский государственный технический университет" по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 04.23 "Синтез и физические свойства современных материалов твердотельной электроники", а также по грантам РФФИ № 04-02-16418, № 05-02-96408, № 06-02-96310, N 06-02-17313, № 07-02-00228, № 08-02-01089, CRDF (project № PG 05-010-1), Минобразования РФ № 202.03.02.038, № УР.01.01.016.
Целью настоящей работы явилось выяснение закономерностей влияния ограниченной геометрии на электрофизические, упругие и неупругие свойства композиционных материалов на основе нитрита натрия, внедренного в пористые матрицы с нанометрическими размерами пор, образующими замкнутую случайно разветвленную систему.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
J. Провести экспериментальное исследование электрических, упругих и неупругих свойств нанокомпозитов системы SiCVNaNC^ с различными размерами пор в широком интервале температур.
-
Установить закономерности влияния размеров полярных частиц на процессы электропереноса в материалах в условиях ограниченной геометрии.
-
Определить механизмы затухания инфранизкочастотных акустических колебаний в нанокомпозитных материалах системы SiCb-NaNC^.
В качестве обьеістов для исследования были выбраны композиционные материалы на основе нитрита натрия, внедренного в пористые матрицы с размерами пор 7 и 320 нм. Наряду с этим, целью проведения сравнительного анализа были использованы образцы незаполненных матриц пористых стекол и поликристаллические образцы нитрита натрия.
Выбор объектов для исследований обусловлен следующими причинами:
нитрит натрия является модельным сегнетоэлектриком, свойства которого в обычном (объемном) состоянии хорошо изучены;
нитрит натрия имеет сравнительно низкую температуру плавления, что облегчает процесс его внедрения в пористые матрицы из расплава;
к моменту начала работы стали известны результаты структурных исследований NaN02 в условиях ограниченной геометрии.
Используемые в работе образцы нанокомпозиционных материалов с диаметром пор 7 нм были приготовлены в физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, образцы с диаметром пор 320 нм предоставлены Institute of Physics, Wroclaw University of Technology, W. Wyspianskiego, Польша, образцы поликристаллического NaN02 были приготовлены автором диссертации.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований нанокомпозитов Si02-NaN02 получены автором впервые и заключаются в следующем:
Установлено, что снижение температуры плавления нитрита натрия в порах стеклянной матрицы в сравнении с объемным материалом обусловлено увеличением свободной энергии внедренных частиц вследствие их взаимодействия с внутренней поверхностью пор.
Получены данные о температурных зависимостях упругого модуля и внутреннего трения для нанокомпозитного материала на основе нитрита натрия, внедренного в матрицу пористого стекла с размерами пор около 7 нм.
Показано, что уменьшение диаметра пор матрицы приводит к уменьшению энергии активации электропроводности композиционного материала.
Определена взаимосвязь между размерами пор матрицы и скачком энергии активации электропроводности в точке сегнетоэлектрического фазового перехода во внедренном материале.
Показано, что изменение электрофизических свойств композиционных материалов SiC^-NaNCb в результате циклического нагрева до температуры 590 К в значительной мере вызвано уходом атомов натрия и нарушением стехиометрии внедренных частиц NaN02.
Практическая значимость работы. Установленные в ходе исследований закономерности углубляют представления о физических свойствах твердых тел в условиях ограниченной геометрии и позволяют осуществлять целенаправленный синтез композиционных материалов с высокой ионной проводимостью. Результаты, полученные в работе, могут быть востребованы в научных лабораториях, занимающихся проблемами ионного транспорта, сегнетоэлектрических явлений и нанотехнологий.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Электрическая проводимость нитрита натрия в условиях ограниченной геометрии существенно превышает его электропроводность в «объемном» состоянии.
-
Сегнетоэлектрический фазовый переход и переход в жидкую фазу в наночастицах нитрита натрия, внедренных в матрицу пористого стекла, сопровождаются аномальным поведением внутреннего трения.
-
Уменьшение диаметра пор в матрице пористого стекла обусловливает уменьшение энергии активации электропроводности внедренного NaN02 и ослабляет влияние сегнетоэлектрического фазового перехода на ее величину.
-
Зависимость электрофизических свойств композиционного материала от термической предыстории в значительной степени вызвана нарушением стехиометрии нитрита натрия вследствие потери атомов Na.
Апробация работы. Основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на 6 Международных, Всероссийских и других научных конференциях: V International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2006), XI Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругих явлениях в твердых телах (Тула, 2007), Second international symposium. «Micro-and nano-scale domain structuring in ferroelectrics» (Ekaterinburg, 2007), International Meeting on Materials for Electronic Applications (1MMEA, Marrakech, Morocco, 2007), 48-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ, секции «Физика твердого тела» (Воронеж, 2008), XVIII всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1 - 14] - подготовка к эксперименту, [1 - 14] получение и анализ экспериментальных данных, [1 - 14] обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 139 наименований. Основная часть работы изложена на 101 странице, содержит 37 рисунков и 2 таблицы.
