Введение к работе
Актуальность темы.
Сегнетокерамические материалы находят широкое применение в качестве различных элементов электроники, таких как позисторы, варисторы, термисто-ры, газовые сенсоры, а, в последнее время, и как элементы энергонезависимой памяти. Основным материалом для ячеек памяти рассматривают составы цир-коната-титаната свинца, но они подвержены процессам старения и усталости. Как альтернатива предлагаются слоистые висмутсодержащие перовскитопо-добные структуры. Однако электрофизические процессы в них до конца не изучены, что сдерживает практическую реализацию.
В данной работе изучались твердые растворы титаната бария-стронция и титаната бария-свинца, которые являются перспективными в качестве различных датчиков, так как их свойства чувствительны к изменению параметров внешней среды. Кроме того, исследовались слоистые висмутсодержащие структуры состава SrBi2(Wx/2Tix/2Nbi.x)209 (х=0...1), которые обладают интересными электрофизическими свойствами, связанными с процессами диэлектрической релаксации и переноса электрического заряда. Свойства изучаемых материалов во многом определяются дефектами их кристаллической структуры, а также явлениями, проходящими на границе кристаллитов. Понимание процессов проводимости, которые протекают в керамических образцах на границе и внутри зерен, является основой для более широкого использования этих материалов. Процессы прыжкового переноса, которые наблюдается в данных соединениях, связаны с взаимодействием носителей заряда с различными модами колебании кристаллической решетки. Установление закономерностей в этих процессах позволяет глубже понять физическую природу наблюдаемых эффектов для данных соединений. Изучение дефектов кристаллической структуры таких материалов и сравнение электрических свойств со свойствами простых перовскитов позволит глубже понять природу происходящих процессов.
Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью создания таких керамических материалов, свойства которых отвечали бы современным требованиям к приборам микроэлектроники и сохраняли бы свои рабочие характеристики в широком интервале температур при длительном сроке эксплуатации.
Цель работы.
Разделение вкладов диполей и носителей заряда в диэлектрический отклик поликристаллических перовскитоподобных структур в слабых электрических полях диапазона радиочастот и широком интервале температур. Установления механизмов диэлектрической релаксации и влияние на них рентгеновского излучения, закалки, отжига.
Задачи исследования.
При выполнении работы решались следующие задачи: 1. Развитие методики импедансной спектроскопии и расчет основных электрофизических характеристик исследуемых соединений.
Контроль состава структур методами сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа.
Расчет эквивалентной схемы замещения и выявления механизмов релаксации и переноса заряда для исследуемых соединений.
Объекты исследования.
Перовскитовые керамические образцы (Ваі_хАх)ТЮз (A=Sr,Pb 0<х<1)
Слоистые висмутсодержащие образцы SrBi^Wx^Tix^Nbi-x^Og (0<х<1)
Научная новизна и практическая значимость
Впервые на основе анализа кривых дисперсии импеданса и диэлектрического модуля, установлены принципиальные различия механизмов релаксации для объемов зерен керамических перовскитовых структур и слоистых висмутсодержащих перовскитовых соединений.
Впервые для объяснения недебаевского поведения температурной зависимости времени диэлектрической релаксации в сегнетоэлектрической фазе слоистых соединений приведено математическое описание данного явления, основанное на предположении о взаимодействии прыгающих зарядов с мягкой фононной модой.
Впервые установлено влияние изовалентного замещения ионов Nb ионами Ті и W в кислородных октаэдрах для слоистых висмутсодержащих соединений на диэлектрические параметры данных составов и изменение этих параметров при радиационных воздействиях.
Совокупность полученных данных для исследованных образцов в переменных электрических полях позволяет прогнозировать соотношение вкладов в импеданс объема или границ зерен в зависимости от частоты электрического поля и температуры, что имеет важное практическое значение при разработках устройств электронной техники с сегнетокерамическими рабочими элементами.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
Исследование диэлектрических свойств сегнетокерамики составов (Ваі_ хАх)ТіОз (A=Sr,Pb) SrBi2(Wx/2Tix/2Nbi.x)209 (0<х<1) показывает принципиальное различие механизмов релаксации для твердых растворов перовскитов и слоистых висмутсодержащих соединений, что отражается как в значениях степенных эмпирических формул диэлектрического отклика, так и в величине пре-дэкспонинциального множителя зависимости времени релаксаций от температуры.
На основе подобранной эквивалентной схемы замещения определены значения энергии активации и времени релаксации для объемов кристаллитов и их граничных областей и изменение этих значении при воздействии рентгеновского излучения и закалки.
Изовалентное замещение ионов Nb ионами W и Ті в слоистых структурах наряду с изменениями параметра элементарной ячейки приводит к измене-
нию электрон-фононного взаимодействия, выражающееся в смещении частоты максимума мнимых компонент диэлектрического отклика в сторону низких частот с ростом температуры.
4. Вывод формул объяснения экспериментального факта смещение максимума мнимой части электрического модуля в сторону низких частот с ростом температуры.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ш-ей и IV-ой Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» ( Воронеж, 2006, 2008); VII-ой международной научной, конференции «Химия твердого тела и современные микро-и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007); XVIII-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (С-Петербург, 2008); V-ом и VI-om Международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008, 2009); VII-ой Всероссийской конференции-школы «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2009); 6-ом Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков (Воронеж, 2009); ХХП-ой Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертации полностью отражены в 15 печатных работах, из которых 4 опубликованы в реферируемых журналах «Физика твердого тела», «Вестник ВГУ», «Известия РАН, серия физическая», «Вестник ВГТУ», остальные - в сборниках трудов и тезисов докладов всероссийских, международных и других конференций.
Личный вклад автора в разработку проблемы. Основные результаты работы получены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем A.M. Солодухой. В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и определение направления исследований. Подробное проведение рассуждений, расчетов, анализ и интерпретация полученных результатов выполнены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем составляет 105 страниц, включая 51 рисунок, 2 таблицы. Список цитированной литературы содержит 103 наименования.
