Главная » 2014»Август»16 » Скачать Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3. Горшков, бесплатно
20:13
Скачать Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3. Горшков, бесплатно
Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3
Диссертация
Автор: Горшков, Александр Геннадьевич
Название: Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3
Справка: Горшков, Александр Геннадьевич. Особенности свойств магнитоэлектрических композитов Cox(LiNbO3)100-x,Cox(PbZrTiO3)100-x и (x)NiZnFe2O4-(1-x)PbZrTiO3 : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.07 / Горшков Александр Геннадьевич; [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т] - Воронеж, 2008 - Количество страниц: 192 с. ил. Воронеж, 2008 192 c. :
Объем: 192 стр.
Информация: Воронеж, 2008
Содержание:
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
КОМПОЗИТОВ (обзор)
11 Магнитоэлектрический эффект в кристаллах и композитах
12 Структура магнитоэлектрических композитов
121 Структура смесевых композитов
1211 Структура феррита Nio,4Zno,6Fe
1212 Структура пьезоэлектрика РЬ0, 95810 ,05^0,53^0,
122 Структура тонкопленочных наноразмерных композитов
13 Свойства магнитоэлектрических композитов
131 Диэлектрические, магнитные, поляризационные и магнитоэлектрические свойства смесевых композитов
132 Сегнетоэлектрические, магнитные и магнитоэлектрические свойства слоистых композитов
14 Теории магнитоэлектрического эффекта в композитах
15 Кристаллизация аморфных материалов
16 Структурная релаксация
ГЛАВА 2 МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
21 Получение образцов
211 Получение смесевых и многослойных магнитоэлектрических композитов (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (l-x)Pbo95Sroo5Zro53Tio
212 Получение тонкопленочных нанокомпозитов
22 Обоснование выбора методик исследования
23 Установка для исследования магнитоэлектрического эффекта
24 Установка для измерения намагниченности композитов
25 Установка для исследования диэлектрических и электрических свойств композитов феррит-сегнетоэлектрик
26 Установка для измерения сегнетоэлектрических петель гистерезиса
27 Установка для измерения индуктивности
28 Установка для комплексных исследований инфранизкочастотных механических свойств твердых тел
29 Установка для проведения дифференциального термического анализа
210 Установка для исследования электропроводности при низких температурах
211 Установка для исследования В АХ
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
НАНОКОМПОЗИТОВ Cox(LiNb03)ioo-x и Сох(ЦТС),оо-х
31 Концентрационные зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости
32 Механизмы электропроводности нанокомпозитов Cox(LiNb03)ioo-x и Сох(ЦТС)100-х
33 В АХ тонкопленочных нанокомпозитов Сох(Ы№>Оз) юо-х 93 34Кристаллизация аморфной фазы в нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х
341 Кинетика процесса кристаллизации
342 Влияние переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной пленки ЦТС
35 Структурная релаксация в аморфной фазе композитов Сох(ЦТС)юо-х
36 Амплитудные зависимости диэлектрических потерь в нанокомпозитах Сох(ЦТС) i оо-х
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСЕВЫХ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
КОМПОЗИТОВ (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (1-х) PbZio53Tio47O3 123 41 Концентрационные зависимости диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления
42 Магнитные и сегнетоэлектрические свойства
43 Упругие и неупругие свойства
44 Диэлектрические и транспортные свойства
441 Диэлектрические свойства
442 Транспортные свойства
ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ
Ni0,4Zn0,6Fe2O4 -Pbo^SroosZro^Tio^Cb
51 Магнитоэлектрический эффект в плоских слоистых композитах
511 Магнитоэлектрический эффект в двухслойной структуре
512 Магнитоэлектрический эффект в трехслойной структуре
52 Магнитодиэлектрический эффект в двухслойных и трехслойных композитах
Введение:
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется поиску и исследованиям новых магнитоэлектрических (МЭ) материалов, поскольку в них наблюдается взаимосвязь процессов намагничивания и 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 не велика, 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 усиления магнитоэлектрических свойств в области электромеханического резонанса в гранулированных нано- и микрокомпозитах.
Не уделяется должного внимания вопросам оптимизации составов исходных компонентов, а вопросы химического межфазпого 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 ферромагнетик-сегнетоэлектрик разного типа и особенностей МЭ эффекта в феррит-пьезоэлектрических структурах, выяснение факторов, влияющих на их МЭ чувствительность представляет собой актуальную физическую проблему.
Тематика данной диссертации соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированного состояния вещества"). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета 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 сегне-тоэлектрических 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.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
1. Получение тонкопленочных нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х и Cox(LiNb03)ioo-x5 керамических смесевых микрокомпозитов и слоистых композитов Ni0!4Zn0,6Fe2O4 — PbZro^Tio^Cb и проведение комплексного исследования их структуры и физических свойств.
2. Установление взаимного влияния фаз в смесевых микрокомпозитах (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (1-х) PbZro.53Tio.47O3.
3. Изучение магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых композитах Ni0,4Zn0,6Fe2O4 — PbZro^Tio/nCb.
4. Сравнительное исследование диэлектрических, упругих, неупругих и транспортных свойств нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х, Cox(LiNb03)ioo-x и смесевых микрокомпозитов (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (1-х) PbZr0;53Tio,4703 в широком интервале температур.
5. Исследование процессов кристаллизации и структурной релаксации в аморфных тонкопленочных нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х
Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные нанокомпозиты Сох(ЦТС)10о-х> Cox(LiNb03)ioo-x> а также и смесевые и слоистые композиты (x)Nio,4Zn0,6Fe204 - (1-х) PbZr0,53Ti0,47O3 с концентрациями х = 0, 20, 40, 60, 80, 100%. Выбор таких материалов был обусловлен следующими причинами:.
• все выбранные для изучения композиты являются магнитоэлектрическими и могут рассматриваться как модельные системы для установления основных закономерностей поведения физических свойств;
• смесевые и слоистые композиты (х)№0^п0>бРе2О4 - (1-х) PbZr0;53Ti0!47O3 удобны для исследования, так как обладают как сегнетоэлектрическими, 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 Ni0,4Zn0;6Fe2O4 -PbZro,53Tio,4703, можно получить оптимальную величину магнитоэлектрического эффекта.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований керамических микрокомпозитов (x)Ni0j4Zn0,6Fe2O4 — (1-х) РЬгг0;5зТ10,47Оз и тонкопленочных нанокомпозитов Сох(ЦТС) юо-х и Cox(LiNbO3)100-x получены автором впервые и заключаются в следующем:
1. На основе экспериментальных данных и компьютерного анализа доказано взаимное влияние сегнетоэлектрической и ферримагнитной фаз в смесевых микрокомпозитах (x)Nio;4Zno,6Fe204 - (1-х) PbZr0,53Tio,4703, приводящее к понижению температур Кюри и Нееля.
2. Для двух- и трехслойных композитов Ni0,4Zn0,6Fe2O4 PbZro.53Tio.47O3 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 осе, которые по порядку величины согласуются с экспериментальными значениями.
3. Обнаружен и изучен магнитодиэлектрический эффект в слоистых керамических композитах Ni0j4Zn0,6Fe2O4 -PbZro.53Tio.47O3, который качественно объясняется на основе термодинамического подхода.
4. Определены механизмы электропроводности и температуры кроссоверов, при которых происходит смена механизмов проводимости в тонкопленочных нанокомпозитах Сох(ЦТС)ю0.х, Cox(LiNb03)ioo-x и керамических микрокомпозитах (x)Ni0.4Zn0,6Fe2O4 - (1-х) PbZro.53Tio.47O3.
5. Обнаружено, что структурная диэлектрическая релаксация вблизи температуры стеклования в аморфной фазе нанокомпозита Сох(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 Сох(ЦТС)юо-х в зависимости от содержания фаз х, температуры, напряженности внешнего электрического поля и частоты.
Практическая значимость. Установленные в результате выполнения работы физические закономерности и новые результаты углубляют представления о структурных, сегнетоэлектрических и магнитных фазовых переходах в композитах, позволяют определить влияние состава на температуры фазовых переходов в магнитной и сегнетоэлектрической подсистемах.
Полученные экспериментальные результаты могут найти применения в научных лабораториях и научных центрах, занимающихся проблемами ферромагнетизма и сегнетоэлектричества.
Изученные магнитоэлектрические свойства гетерогенных структур открывают возможности практического использования таких материалов в новом поколении микро- и наноэлектронных устройств, позволяющих управлять магнитными характеристиками электрическим полем и электрических характеристик магнитным полем. Данные по изучению магнитоэлектрических и магнитодиэлектрических свойств в слоистых композитах могут быть использованы при разработке высокочувствительных датчиков магнитного поля, микроволновых устройств, сенсоров и т.д., основанных на магнитоэлектрическом эффекте.
Отдельные результаты исследований могут найти применение при разработке учебных курсов по дисциплинам «Физическое материаловедение» и «Физика полярных диэлектриков» для студентов, обучающихся по направлению «Техническая физика».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Экспериментальное обнаружение и объяснение природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в двух — и трехслойных композитах Nio.4Zno.6Fe204 - PbZro.53Tio.47O3.
2. Совокупность доказательств, свидетельствующих о взаимном влиянии ферримагнитной и сегнетоэлектрической фаз в смесевых композитах (x)Ni0i4Zn0i6Fe2O4 - (1-х) PbZr0,53Tio,4703, полученных по керамической технологии.
3. Экспериментальное определение механизмов проводимости в тонкопленочных магнитоэлектрических нанокомпозитах Cox(LiNb03)ioo-x,
Соч(ЦТС)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Nio,4Zno,6Fe204 - (1-х) PbZr0,53Ti0,47O3.
4. Экспериментальные данные о структурной релаксации в нанокомпозитах Соч(ЦТС)юо-ч, и результаты исследования влияния амплитуды и частоты переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной фазы в нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-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), International scientific-practical conference "Structural relaxation in solids" (Винница, 2006), VIII Russia/Cis/Baltic/Japan Symposium on Ferro-electricity (Japan, Tsukuba, 2006), 5 International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2006), 9-th Intern. Symp. on Ferroic Domains and Micro- to Nano-scopic Stiuctures (ISFD-9, Dresden, Germany, 2006), XI Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругим явлениям в твердых телах (Тула, 2007), 6-й 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), 18-ой всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление смесевых и слоистых образцов и подготовка к эксперименту, а также получение и анализ экспериментальных данных. Обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати проводились при участии д.ф.-м.н., проф. С.А. Гридне-ва. Обсуждение некоторых результатов проводилось совместно с д.ф.-м.н., проф. Калининым Ю.Е. Соавтором публикаций к.ф.-м.н. Ситниковым А.В. были получены образцы тонкопленочных нанокомпозитов. Студенты Королевская О.Н., Самалюк Н.В. и к.ф.-м.н. Копытин М.Н. принимали участие в проведении некоторых экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и выводов, списка цитированной литературы из 121 наименований и содержит 192 страницы машинописного текста и 102 рисунка.
