Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3 Горшков Александр Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется поиску и исследованиям новых магнитоэлектрических (МЭ) материалов, поскольку в них наблюдается взаимосвязь процессов намагничивания и электрической поляризации. Это позволяет на основе МЭ эффекта создавать приборы функциональной электроники, в которых управление осуществляется не только магнитным, но и электрическим полем. Однако в монокристаллах величина МЭ эффекта невелика, что послужило стимулом для создания магнитоэлектрических композиционных материалов, в которых величина МЭ эффекта значительно больше, чем в монокристаллах.

Несмотря на достаточно большое число экспериментальных и теоретических исследований МЭ композитов, многие важные вопросы не решены еще до сих пор. Отсутствуют надежно установленные механизмы, ответственные за магнитоэлектрический и магнитодиэлектрический эффекты, природу электрического транспорта, эффекты электрической и магнитной памяти, а также усиление магнитоэлектрических свойств в области электромеханического резонанса в гранулированных нано- и микрокомпозитах.

Не уделяется должного внимания вопросам оптимизации составов исходных компонентов, а вопросы химического межфазного взаимодействия зачастую не обсуждаются вовсе. В большинстве работ не рассматриваются упругие и неупругие, а также пьезоэлектрические свойства материалов, хотя знание их необходимо для понимания природы магнитоэлектрических взаимодействий в композитах.

Поэтому комплексное исследование физических свойств композитов фер-ромагнетик-сегнетоэлектрик разного типа и особенностей МЭ эффекта в феррит-пьезоэлектрических структурах, выяснение факторов, влияющих на МЭ чувствительность представляет собой актуальную физическую проблему.

Тематика данной 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 ГОУВПО «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 № 06-02-96310 «Влияние технологии получения и обработки на кинетику полярных нанообластей и физические свойства сегнетоэлектрических материалов». РФФИ № 07-02-00228 «Нано- и микрогетерогенные мультиферроичные структуры типа сегнетоэлектрик-ферромагнетик» и Американского фонда гражданских исследований и разработок (CRDF) проект № PG 05-010-1.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей и особенностей поведения электрических и транспортных свойств наноком-позитов Со_х(ЦТС)іоо-х и Со_х(1лМЬОз)юо-_х; исследование природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых керамических композитах Nio,4Zno₆Fe204 - PbZr_0>53Tio₇4703, а также изучение диэлектрических, упругих и

неупругих свойств смесевых микрокомпозитов (x)Nio,4Zn_0i6Fe₂04 - (1-

X)PbZr_0>53Tio,470₃.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:

1. Получение тонкопленочных нанокомпозитов Со_х(ЦТС)юо-х и
Co_x(LiNb03)шо-х- керамических смесевых микрокомпозитов и слоистых компози
тов Ni_0i4Zn_0i6Fe₂O4 - PbZro^Tio^Ch и проведение комплексного исследования их
структуры и физических свойств.

1. Установление взаимного влияния фаз в смесевых магнитоэлектрических микрокомпозитах (xJNio^Zno^Fe^C^ - (l-x)PbZr₀,53Tio,4703.

2. Изучение магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых композитах Ni₀₎4Zno,6Fe₂04 - PbZr₀,53Tio,47C>3.

4. Сравнительное исследование диэлектрических, упругих, неупругих и транспортных свойств нанокомпозитов Со_х(ЦТС)юо-х, Co_x(LiNb0₃)]oo-x и смесевых микрокомпозитов (x)Nio,4Zno_?6Fe₂04 - (l-x)PbZro_?53Ti₀₄703 в широком интервале температур.

5. Исследование процессов кристаллизации и структурной релаксации в аморфных тонкопленочных нанокомпозитах Со_х(ЦТС)юо-_х-

Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные нанокомпозиты Со_х(ЦТС) 100-х- Co_x(LiNb0₃)ioo-x> а также сме-севые и слоистые композиты (x)Nio,4Zn₀.6Fe₂04 - (l-x)PbZro,53Tio,47C>3 с концентрациями х = 0, 20, 40, 60, 80, 100%. Выбор таких материалов был обусловлен следующими причинами:

- все выбранные для изучения композиты являются магнитоэлектриче
скими и могут рассматриваться как модельные системы для установления ос
новных закономерностей поведения физических свойств;

смесевые и слоистые композиты (x)Nio,4Zno,6Fe₂04 - (1-x)PbZr₀₎53Ti₀,47O3 удобны для исследования, так как обладают как сегнетоэлек-трическими, так и магнитными свойствами при температурах выше комнатной;

тонкопленочные наноматериалы обладают рядом специфических свойств, значительно отличающихся от свойств массивных образцов;

подбирая число слоев многослойного композита Ni₀,4Zn_0j6Fe₂O4 -PbZro,53Tio,4703, можно получить оптимальную величину магнитоэлектрического эффекта.

Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований керамических и слоистых композитов (x)Ni_0>4Zno,6Fe₂04 - (l-x^bZro^Tio^Cb, а также тонкопленочных нанокомпозитов Со_х(ЦТС)юо-х и Co_x(LiNb03)ioo-_x получены автором впервые и заключаются в следующем:

1. На основе эксперимент&тьных данных и компьютерного анализа доказано взаимное влияние сегнетоэлектрической и ферримагнитной фаз в смесевых микрокомпозитах (x)Ni_0i4Zno_p6Fe₂04 - (l-x)PbZr₀,53Tio,470₃, приводящее к понижению температур Кюри и Нееля.

2. Для двух- и трехслойных композитов Nio₇4Zno_i6Fe₂04 - установлена зависимость электрического отклика от напряженности магнитного поля. В рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды и термодинамической теории Ландау сделаны оценки величин магнитоэлектрического коэффициента по напряжению сіе, которые по порядку величины согласуются с экспериментальными значениями.

3. Обнаружен и изучен магнитодиэлектрический эффект в слоистых керамических композитах Nio,4Zn_0i6Fe20₄ -РЬ2го,5зТіо,4?Оз, который качественно объясняется на основе термодинамического подхода.

4. Определены механизмы электропроводности и температуры кроссоверов, при которых происходит смена механизмов проводимости в тонкопленочных на-нокомпозитах Со_х(ЦТС)юо-х, Со_х(ЬіМЬОз)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Ni₀,4Zno,6Fe₂04 - (1-х)РЬгг_0?5зТіо,470з-

5. Обнаружено, что структурная диэлектрическая релаксация вблизи температуры стеклования в аморфной фазе нанокомпозита Со_х(ЦТС)юо-х является термически активированной, необратимой и качественно может быть описана моделью Траченко с показателем степени р=0.23-0.67 в уравнении Кольрауша.

6. В рамках механизма Колмогорова-Аврами определены основные параметры процесса кристаллизации аморфных нанокомпозитов Со_х(ЦТС)юо-\ в зависимости от содержания фаз х, температуры, напряженности внешнего электрического поля и частоты.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментальное обнаружение и объяснение природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в двух- и трехслойных композитах Nio^Zn₀₆Fe20₄ - РЬгго5зТіо4?Оз.

2. Совокупность доказательств, свидетельствующих о взаимном влиянии ферримагнитной и сегнетоэлектрической фаз в смесевых композитах (x)N^Ii₀.4Zno,6Fe₂04 - (l-x)PbZr_0|53Tio,4703, полученных по керамической технологии.

3. Экспериментальное определение механизмов проводимости в тонкопленочных магнитоэлектрических нанокомпозитах Со_х(ЬіМЬОз)юо-х, Со_х(ЦТС)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Nio.4Zno_>6Fe204 - (l-x)PbZr₀,53Tio,4703.

4. Экспериментальные данные о структурной релаксации в нанокомпозитах Со_х(ЦТС) юо-х. и результаты исследования влияния амплитуды и частоты переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной фазы в нанокомпозитах Со_х(ЦТС)іоо-х-

Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 11 Международных, Всероссийских и других научных конференциях: Международной конференции "Пьезотехника-2005" (Азов, 2005), XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005), Internationa) scientific-practical conference "Structural relaxation in solids" (Винница, 2006), VIII Russia/Cis/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (Japan, Tsukuba, 2006), 5 International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2006), 9-th Intern. Symp. on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (ISFD-9, Dresden,

Germany, 2006), XI Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругим явлениям в твердых телах (Тула, 2007), VI Всероссийской школе-конференции по нелинейным процессам и проблемам самоорганизации в современном материаловедении (Воронеж, 2007), Second International Symposium «Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics» (Ekaterinburg, 2007), International Meeting on Materials for Electronic Applications (IMMEA, Marrakech, Morocco, 2007), XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: приготовление смесевых и слоистых образцов [18-20] и подготовка к эксперименту, а также получение и анализ экспериментальных данных [1-20], обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати [1-20].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 121 наименования. Основная часть работы изложена на 192 страницах и содержит 102 рисунка.

Похожие диссертации на Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3

Упругие, неупругие и магнитные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x, Cox(CaF2)100-x и Cox(PZT)100-xТарасов Дмитрий Павлович

Электроперенос и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co41Fe39B20)x (SiOn)100-x и Cox (LiNbOn)100-x в сильных электрических поляхКопытин Михаил Николаевич

Высокочастотные магнитные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co41Fe39B20)_x (SiO2)_100-x, (Co41Fe39B20)x (Al2O3)_100-x, (Co45Fe45Zr10)_x (SiO2)_100-x и (Co45Fe45Zr10)_x (Al2O3)_100-x Калаев Владимир Александрович

Электрические свойства гранулированных нанокомпозитов ((Fe_45Co_45Zr_10)_x(SiO_2)_100-x и (Fe_45Co_45Zr_10)_x(Al_2O_3)_100-x) Ремизов Алексей Николаевич

Электрические, магнитные и магниторезистивные свойства гранулированных нанокомпозитов Nix(MgO)100-x и Fex(MgO)100-xГребенников, Антон Александрович

Мессбауэровские исследования особенностей свойств комплексов железа и олова в растворахДело, Мустафа Омар

Особенности свойств микронеоднородных сплавов PdMn_x Fe_1-x с взаимодействующими структурными и магнитными параметрами порядка Волкова Наталья Владимировна

Закономерности формирования, структурные особенности и свойства покрытий на основе фосфатов кальция, полученных ВЧ-магнетронным осаждениемСурменева, Мария Александровна

Особенности релаксационных свойств углепластиков на основе структурно-неоднородных полимерных матриц Джамаева Наврат Магомедсаидовна

Особенности тепловых свойств высокотемпературных сверхпроводников вблизи критической температурыАбдулвагидов, Шапиулаг Белалович