Введение к работе
Актуальность темы. Процессы релаксационной поляризации дают информацию об энергетических спектрах широкого круга активных материалов, таких как электреты, сегнетоэлектрики, ферриты, мультиферроики и другие, которые традиционно являются объектами физики конденсированного состояния. Во многих из них сквозная электропроводность ast велика, а ее влияние на процесс исследования релаксационной поляризации в диэлектриках принято было считать одной из основных трудностей таких исследований. Увеличение сквозной электропроводности приводит к сглаживанию частотных зависимостей, как мнимых частей комплексной диэлектрической проницаемости, так и тангенса угла диэлектрических потерь, что затрудняет, а при достаточно больших величинах ast и вовсе делает невозможным определение параметров процессов релаксационной поляризации. Во всех учебниках и монографиях по физике диэлектриков наличие электропроводности признается фактором, мешающим исследованиям, но специального изучения влияния сквозной электропроводности на диэлектрические спектры не проводилось.
Изучение закономерностей влияния сквозной электропроводности на диэлектрические спектры диэлектриков с различным распределением релаксаторов и выявление условий возникновения этого явления, безусловно, необходимо. Необходимо также классифицировать диэлектрики по различной степени влияния сквозной электропроводимости на процессы релаксационной поляризации, что позволило бы глубже разобраться с физическими причинами подобной классификации, что, в свою очередь, позволило бы уточнить причины влияния электропроводности на диэлектрические спектры.
Релаксационная поляризация и, в частности, процессы, связанные с гетерогенностью диэлектриков по электрическим свойствам их компонентов и фаз, выходят на первое место при разработке материалов, обладающих уникальными физическими свойствами. Свойствами элементов из этих материалов можно управлять, меняя частоту электрического поля, и получать элементы, обладающие гигантской диэлектрической проницаемостью и гигантской электропроводностью в переменных электрических ПОЛЯХ. Интересно, что эти уникальные физические свойства в ряде случаев усиливаются за счет возрастания сквозной электропроводности. Развитие методов использования релаксационной поляризации для создания элементов с частотно управляемым температурным коэффициентом сопротивления, увеличения чувствительности резистивных и емкостных датчиков внешних воздействий, управления взаимосвязью между гигантским ростом диэлектрической проницаемости и гигантским ростом электропроводности, несомненно, актуально.
Анализ тепловых и электрических релаксационных процессов, возникающих при протекании электрического тока через терморезисторы, и разработка физических основ работы этих устройств позволяют разработать физические методы термостабилизации с использованием позисторов на
основе сегнетоэлектриков в режиме неизменного тока для создания твердотельных датчиков и самоуправляемых позисторных термостатов. Их широко используют в энергетике и автоматике, их физические принципы лежат в основе некоторых энергосберегающих технологий.
Таким образом, возникает актуальное научное направление
исследования взаимодействия сквозной электропроводности,
релаксационных и быстрых поляризационных явлений, на основе которого выявляются новые физические закономерности, управляющие свойствами активных материалов, что позволяет создавать принципиально новые элементы и устройства. Поэтому тема диссертации, где предложено и развивается это направление, актуальна и своевременна. Работа призвана сыграть роль связующего звена между возможностями развития релаксационных поляризаций в диэлектриках с большой сквозной электропроводностью и использованием этих процессов для создания элементов твердотельной электроники.
Цель работы: выявить закономерности влияния большой сквозной электропроводности на релаксационную поляризацию в твердых диэлектриках с различным распределением релаксаторов и определить физические основы получения активных материалов на их основе для создания принципиально новых элементов и устройств.
Основные задачи работы:
Подробный анализ влияния сквозной электропроводности на диэлектрические спектры различных диэлектриков.
Определение соотношения между вкладами в диэлектрическую проницаемость релаксационных и быстрых поляризационных процессов, приводящих к принципиально различному влиянию сквозной электропроводности на частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь.
Определение соотношения между вкладами в диэлектрическую проницаемость релаксационных и быстрых поляризационных процессов, приводящих к различной частотной зависимости мнимых частей комплексной проводимости.
Разработка классификации диэлектриков с релаксационной поляризацией по соотношению между вкладами в диэлектрическую проницаемость релаксационных и быстрых поляризационных процессов и выявление физических причин существования двух видов таких диэлектриков.
Установление причин развития дисперсии диэлектрической проницаемости и проводимости в различных частотных диапазонах для недебаевских диэлектриков.
6. Выявление оптимальных характеристик релаксационной
поляризации в твердых диэлектриках, имеющих большие величины
электропроводности.
Разработка твердотельных элементов и методов, улучшающих их функционирование за счет использования процессов релаксационной поляризации.
Разработка новых направлений использования позисторов на основе анализа релаксационных тепловых и электрических процессов в терморезисторах при протекании в них электрического тока.
Объекты исследования:
твердые диэлектрики, в которых имеют место процессы релаксационной поляризации и сквозная электропроводность, но отсутствует взаимодействие на микроуровне между релаксаторами и частицами, отвечающими за перенос заряда при сквозной электропроводности - в теории;
- поликристаллические BaSn03, CdTi03, PbFei/2Nbi/203, Ае\/2В\/2Оз
(A = Ва, Sr и Са; В = Nb, Та и Sb) и легированный полупроводниковый
ВаТіОз - в эксперименте;
- поликристаллические BaFei/2Nbi/203; (1-.х)РЬ(Ре2/з\і/з)Оз-хРЬТЮз
(х = 0,1); Ьаг/зСаз/зМпг/зТіз/зОз; ЬаМпі/2Соі/2Оз-5; Ьаг/зСаз/зМпг/зТіз/зОз;
La3/2Sri/2Ni04; Ьа5/з8гі/зМ04; MnFe204; (NbSe4)3I; NaMn7Oi2; CaCu3Ti4Oi2;
Cai.3x/2NbxCu3Ti4Oi2; Ni-Zn и Li-Ni-Zn; пленки Sr0j94Bi3j24Ta2O9 и некоторые
пластифицированные нанокомпозитные полимеры - из литературы.
Научная новизна. Большинство концепций диссертационной работы является новым. Для диэлектриков при релаксационных поляризациях с различными распределениями релаксаторов впервые обнаружено влияние электропроводности на частотную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь, приводящее в экстремумах к увеличению разности значений тангенса угла диэлектрических потерь, а не к ее уменьшению, как полагали ранее. Впервые определены величины электропроводности диэлектриков, при которых отсутствуют экстремумы в частотных зависимостях мнимых частей их комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Впервые выявлены условия возникновения экстремумов в частотных зависимостях мнимых частей комплексной проводимости.
Показано, что мнимая часть диэлектрической проницаемости - менее информативная физическая величина, характеризующая релаксационную поляризацию при большой электропроводности диэлектриков, по сравнению с тангенсом угла диэлектрических потерь. Найдена причина различия дисперсии диэлектрической проницаемости и проводимости в различных частотных диапазонах для недебаевских диэлектриков. Показана необходимость и обоснована физика разделения процессов релаксационной поляризации в диэлектриках на два вида. Определены отношения электрических параметров компонентов гетеро фазных диэлектриков, необходимые для гигантского роста диэлектрической проницаемости и проводимости вместе или порознь.
