Получение, электрофизические и термочастотные свойства сегнетопьезоэлектрических твердых растворов многокомпонентных систем (стр. 1 )

На правах рукописи

ЮРАСОВ Юрий Игоревич

Получение, электрофизические и термочастотные свойства

сегнетопьезоэлектрических твердых растворов

многокомпонентных систем.

05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск

2009

Работа выполнена на кафедре общей и прикладной физики Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ - НПИ), в отделе активных материалов Научно-исследовательского института физики Южного федерального университета в рамках научно-исследовательских работ, выполняемых по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №2.1.1/6931), а также при поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (гранты РФФИ №№ , , а, , ); Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракты №№ 000, 7231, 7463); грантов Президента Российской Федерации (НШ – 3505.2006.2, 5031.2008.2); грантов Южного федерального университета (№ К-07-Т-40, № К-08-Т-11).

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук, профессор
Научный консультант:	доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор
	кандидат физико-математических наук, профессор
Ведущая организация:	Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). (МИРЭА). г. Москва.

Защита диссертации состоится "21" мая 2009 года в 1000 часов на заседании Диссертационного совета Д. 212.304.09. при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) (ЮРГТУ-НПИ) по специальностям 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», 01.04.07 «Физика конденсированного состояния», материалов и приборов электронной техники, по адресу: 346428. г. Новочеркасск. ул. Просвещения.. ЮРГТУ (НПИ), Диссертационный зал (ауд. 107 гл. корп.).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан "14" апреля 2009 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, следует направлять ученому секретарю Диссертационного совета Д. 212.304.09
по адресу: 346428. г. Новочеркасск. ул. Просвещения.. ЮРГТУ (НПИ).

Ученый секретарь

Диссертационного

совета Д. 212.304.09,

к. т.н, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

В ряду известных электрически активных материалов электронной техники особое место занимают твердые растворы бинарных систем (1-x)PbZrO3-xPbTiO3 (ЦТС) (классические сегнетоэлектрики), (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3 (PMN-PT) (сегнетоэлектрики – релаксоры) и многоэлементные композиции с их участием, ставшие основой практически всех известных в мировой практике промышленно выпускаемых материалов [1-2]. Изучение физико-технических свойств таких материалов, продолжающееся уже более полувека, выявило широкий спектр их функциональных возможностей, во многом определяемый особой фазовой картиной названных систем, включающей морфотропную область с сопутствующими ей экстремальными практически важными параметрами.

В последние годы в связи с существенным расширением сфер применений подобных материалов и рабочих интервалов оказываемых на них внешних воздействий (являющихся, в том числе, и деталями технологических приемов), диктуемых особенностями современной техники: интенсификаций процессов, связанных с ростом рабочих температур, давлений, частот, ускорением энергетических превращений; – перед сегнетопьезокерамическими материалами и устройствами на их основе выдвинуты более жесткие требования к их характеристикам. К последним относится возможность эксплуатации при сверхвысоких и сверхнизких частотах переменного электрического поля (актюаторы, сенсоры с гигантской диэлектрической проницаемостью), при ультравысоких температурах (дефектоскопический контроль атомных реакторов), в устройствах управления электрострикторными двигателями и пьезоманипуляторами в микропроцессорной робототехнике и пр. В связи с этим необходимо детальное (с малым исследовательским шагом) комплексное (теория, эксперимент) изучение физических свойств названных объектов в широком интервале концентраций компонентов и внешних воздействий, что и стало целью настоящей работы.

Учитывая, что подобные исследования ранее проводились на избранных составах систем и полученные разными авторами сведения оказывались неоднозначными и противоречивыми, представлялось актуальным проведение указанных выше исследований, значимых как в научном плане (установление физической природы и механизмов наблюдаемых явлений), так и с практической точки зрения (разработка и применение на основе полученных новых знаний высокоэффективных материалов электронной техники).

Цель работы:

o  выбрать рациональные технологические режимы и получить образцы твердых растворов (ТР) систем (1-x)PbZrO3-xPbTiO3 (ЦТС) и (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3 (PMN-PT), а также четырехкомпонентной системы на их основе с оптимальными воспроизводимыми электрофизическими параметрами;

o  провеcти комплексные исследования (кристаллической структуры, диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств, термочастотных спектров) ТР бинарных систем ЦТС, PMN-PT, многокомпонентных Pb – содержащих композиций с малым концентрационным шагом в широком интервале внешних воздействий (температур и частот измерительного электрического поля);

o  установить корреляционные связи фазовая картина – макроскопические отклики в названных ТР;

o  выбрать на основе полученных данных перспективные основы функциональных материалов, пригодных для дальнейшей доработки их до практических применений в электронной технике.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Ø  изготовить образцы ТР с варьируемым концентрационным шагом, в том числе, очень малым Dx=0.0025-0.005, произведя постадийную оптимизацию регламентов их синтеза и спекания,: бинарной системы (1-x)PbZrO3-xPbTiO3 (0≤x≤0,90); бинарной системы (1-x)Pb Nb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3 (0≤x≤1,0); ТР четырехкомпонентной системы 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3 (I (0.37 ≤ x ≤ 0.57), III (0.11 ≤ x ≤ 0.50) , V (0.23 ≤ x ≤ 0.52) - разрезы);

Ø  создать автоматические измерительные стенды для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь сегнетопьезоматериалов в широком интервале температур от 20 0С до 700 0С и частот измерительного электрического поля: 1) от 10-3 Гц до 105 Гц; 2) от 25 Гц до 106 Гц;

Ø  разработать для созданных автоматических стендов программные продукты контроля и управления процессами измерения образцов с последующим расчетом диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, в том числе, определения пиковых значений диэлектрической проницаемости всего диэлектрического спектра в диапазоне частот:Гц - 105 Гц;Гц - 106 Гц, а также 3) анализа диэлектрических спектров с помощью аппроксимационных моделей Коула-Коула, Дэвидсона-Коула, Гаврилиака-Негами, Дебая для мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости с последующим построением, по полученным данным, диаграмм Коула-Коула;

Ø  на основе рентгенографических данных выявить локализацию фаз, фазовых состояний, областей их сосуществования, морфотропных областей в изучаемых системах ТР;

Ø  произвести исследования диэлектрических спектров изготовленных ТР в широких интервалах температур от 20 0С до 700 0С и частот измерительного электрического поля от 10-3 Гц до 105 Гц;

Ø  провести измерения диэлектрических, пьезоэлектрических, упругих и механических характеристик образцов;

Ø  установить корреляционные связи состав – структура - свойства – области применения ТР на основе полученных данных;

Ø  выбрать оптимальные композиционные основы для последующего создания новых высокоэффективных материалов с целевыми потребительскими свойствами: с достаточно высокими относительной диэлектрической проницаемостью, пьезомодулями, пьезочувствительностью, пьезоанизотропией, пьезодеформацией; –перспективных для применения в электронной технике.

Объекты исследования:

‑ бинарные системы твердых растворов:

ТР1: (1-x)PbZrO3-xPbTiO3. (0 ≤ x ≤ 1) (ЦТС, PZT).

В интервалах 0 ≤ x ≤ 0.12, 0.30 ≤ x ≤ 0.36, 0.37 ≤ x ≤ 0.42 и 0.52 ≤ x ≤ 0.57 исследовательский концентрационный шаг Δx = 0.01; в интервале 0.42 < x < 0.52 Δx = 0.005; в интервале 0.60 < x < 0.90 Δx = 0.025. При необходимости (для уточнения закономерностей изменения свойств в отдельных областях) использованы Δx = 0.0025;

ТР2: (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3. (0 ≤ x ≤ 1.0) (PMN-PT).

В интервале концентраций 0 ≤ x ≤ 0.45 - Δx = 0.01, в интервале концентраций 0.45 < x ≤ 0.95 - Δx = 0.05;

‑ четырехкомпонентная система 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3

ТР3 (I разрез системы): 0.37 ≤ x ≤ 0.57, y = 1-x-z, z = 0.05.

В интервалах концентраций 0.37 ≤ x ≤ 0.425, 0.515 < x < 0.57 ‑ Δx = 0.01, в интервале концентраций 0.425 ≤ x ≤ 0.515 - Δx = 0.0025÷0.005;

ТР4 (III разрез системы): 0.11 ≤ x ≤ 0.50, y = 0.05, z = 1-x-0.05.

ТР5 (V разрез системы): 0.23 ≤ x ≤ 0.52, y = z = (1-x)/2.

Во всех исследуемых концентрационных интервалах ТР4 и ТР5 Δx = 0.01 (в отдельных фрагментах фазовых диаграмм использовался шаг по Δx = 0.0025÷0.005)

Твердотельные состояния:

керамики, дисперсно-кристаллические вещества (шихты, синтезированные порошки, измельченные поликристаллы).

Научная новизна работы.

1.  Разработаны оптимальные условия и конкретные технологические регламенты, обеспечившие получение керамик составов (1-x)PbZrO3-xPbTiO3. (0 ≤ x ≤ 1), (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3, .98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3 с экстремально возможными (в условиях массового производства) воспроизводимыми электрофизическими параметрами, позволившими впервые установить закономерности их формирования и корреляционные связи состав (химическая композиция) – структура (кристаллическое строение) – свойства (диэлектрические, пьезоэлектрические, упругие, механические) – области применения.

2.  Впервые детально (с малым исследовательским концентрационным шагом), комплексно (теория, эксперимент, включающий серию независимых методов измерения физических свойств объектов: рентгенографию, измерение плотности, исследование более 20 электрических характеристик при комнатной температуре, диэлектрических спектров в интервалах 250С ÷ 7000С, 25 Гц ÷ 1МГц) изучены свойства широкого класса объектов (классические сегнетоэлектрики (СЭ), СЭ – релаксоры, СЭ с размытым фазовым переходом (РФП)) на большом количестве образцов (в каждой системе – более 200 составов с 10 ÷ 15 образцами каждого состава, что сделало полученные экспериментальные результаты достоверными и надежными).

3.  Впервые разработаны и созданы измерительные стенды для исследования электрофизических параметров в широких интервалах температур и частот и программные продукты для расчета электрофизических параметров в широких диапазонах внешних воздействий, позволившие в автоматическом режиме, (экспрессно-конвейерным методом, круглосуточно) провести все исследования с одновременным графическим оформлением полученных результатов.

4.  Выявлен более сложный вид фазовых диаграмм бинарных систем, чем это было известно ранее, и установлена фазовая картина в новой многокомпонентной системе, вскрыты причины возникновения в них «каскада» структурных неустойчивостей, связанные с реальной (дефектной) подсистемой объектов.

5.  Впервые показана возможность достижения в системе ЦТС гигантских диэлектрических откликов (диэлектрической проницаемости, электропроводимости), делающих её перспективной для низкочастотных применений.

6.  Впервые выявлены особенности дисперсионных свойств рассматриваемых систем и установлена их связь с фазовой картиной, пространственной неоднородностью керамик, степенью несовершенства кристаллической структуры и кристаллохимической спецификой изучаемых твердых растворов.

Практическая значимость работы.

1.  Созданы два измерительных стенда, использующиеся в учебном и научном процессах, для исследования термочастотного поведения твердых растворов сегнетопьезокерамических материалов:

- автоматический измерительный стенд электрофизических параметров сегнето - пьезоматериалов в широком интервале температур и частот./ Патент на Полезную модель.- Регистрационный номер 66552 от 01.01.2001. Решение о выдаче патента от 01.01.2001. По заявке от 01.01.2001;

- автоматический измерительный стенд электрофизических параметров сегнето - пьезоматериалов в широком интервале температур и инфранизких частот./ Заявка на выдачу патента на Полезную модель. - Регистрационный номер от 01.01.2001.

2.  Разработаны программные продукты, использующиеся в созданных стендах:

- расчет диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в широком интервале температур и частот (Лабораторный стенд ЮКОМП 2.0)/ Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. №. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29 марта 2006г.;

- расчет диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в заданном интервале температур и частот (Лабораторный стенд ЮКОМП 3.0) / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 6 мая 2006г.;

- расчет мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости по формулам Коула-Коула, Дэвидсона-Коула, Дебая и Гаврилиака-Негами (Анализ Коула-Коула ЮКОМП 4.0),/ Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №.- Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21 марта 2007г.

3.  Получены твердые растворы состава 0.98(0,41PbTiO3- 0,295PbZrO3– 0,295PbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3, характеризующиеся достаточно высокими значениями температуры Кюри Тс ³ 300 °С, относительной диэлектрической проницаемости e33Т/e0 =2100, пьезомодулей |d31| = 150 пКл/Н, d33= 345 пКл/Н, пьезочувствительности |g31| = |d31|/ε33T= 8.1 мВ/Н и удельной чувствительности = 8 пКл/Н, учитывающей внутреннее сопротивление приемника ультразвука, перспективные при работе как на нагрузку, так и в режиме холостого хода преобразователей, эксплуатируемых в среднечастотном диапазоне.

4.  Предложены в качестве основ функциональных материалов твердые растворы состава 0.98(0,11PbTiO3-0,05 PbZrO3 – 0,84PbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3, которые характеризуются высокой пьезодеформацией ζ33max~2.0 мкм при Е = 10.0 кВ/см, что делает их незаменимыми в устройствах, где требуются большие, управляемые электрическим полем, микроперемещения (порядка нескольких или десятков микрометров).

5.  Разработан пьезоэлектрический керамический материал с ультравысокой рабочей температурой (до 1400 К), бесконечной пьезоанизотропией (kt/kp→∞, d33/|d31|→∞), достаточно высокими коэффициентами электромеханической связи толщинной моды колебаний (kt~0,4) для устройств дефектоскопического контроля атомных реакторов. (Патент на изобретение - Регистрационный номер от 01.01.2001).

6.  Показана перспективность использования некоторых твердых растворов системы ЦТС с гигантской диэлектрической проницаемостью (e/e0~60000) и электропроводностью (g~ 10-3 (Ом*м)-1) в низкочастотной пьезотехнике.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1.  Получение сегнетопьезокерамик составов (1-x)PbZrO3-xPbTiO3, (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3, 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3 необходимо проводить при эмпирически определяемых условиях, обеспечивающих отсутствие непрореагировавших (в результате незавершенности твердофазных реакций) компонентов; сохранение стехиометрии химических композиций; однородность по составу и плотности керамик; исключение нарушения их механической целостности, что позволяет почти на порядок сузить концентрационный исследовательский «шаг» (Dx=0,0025 ÷ 0,0050 мол. % по сравнению с традиционно используемым Dx=0,01 ÷ 0,05 мол. %) и осуществить детальное изучение физико-технических свойств твердых растворов выбранных систем.

2.  Сложный вид зависимостей электрофизических свойств от температуры и концентрации компонентов в изучаемых твердых растворах обусловлен их корреляцией с фазовым наполнением систем: большим количеством фаз, изосимметрийных состояний, областей сосуществования тех и других, возникновению которых благоприятствует дефектная ситуация в объектах.

3.  Дисперсионные свойства в системе ЦТС, выявившие специфическую картину проявления в ней релаксационных процессов: существование глубокой релаксации удельной электропроводимости, g, характерной для низких температур, и её практическое прекращение при Т~500 оС с сохранением глубокой дисперсии действительной части комплексной диэлектрической проницаемости e'; отсутствие высокочастотного насыщения; необычное чередование наклонов на кривых g(T); - могут быть связаны со спектром времён релаксации, характерным для ЦТС-керамик при высоких температурах.

4.  В системе PMN-PT имеет место ряд физических явлений, обусловленных термочастотным поведением диэлектрической проницаемости: формирование трех концентрационных областей, отличающихся типом твердых растворов (сегнетоэлектрики –релаксоры, сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом, классические сегнетоэлектрики); усложнение в релаксорной области диэлектрических спектров, имеющих недебаевскую природу, по мере продвижения вглубь системы: от симметричного, далее – несимметричного распределения времен релаксации и при больших содержаниях PbTiO3 в системе - к наличию нескольких, часто перекрывающихся релаксорных процессов; возникновение двух типов дисперсии в параэлектрической области: высокотемпературной слаборелаксационной вблизи 600 0С и низкотемпературной сильнорелаксационной при T~3500C; существование дополнительного вклада в релаксационные процессы, свойственные сегнетоэлектрикам – релаксорам, максвелл-вагнеровской поляризации.

5.  В многокомпонентной системе 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3 упрощение фазообразования за счет взаимовлияния различных типов дефектов структуры (точечных, протяженных, каркасных - блочных) твердых растворов и более высокой плотности образцов из-за спекания с участием жидкой фазы приводит к уменьшению дисперсии диэлектрической проницаемости и «изрезанности» концентрационных зависимостей электрофизических параметров.

Надежность и достоверность полученных в работе результатов.

Надежность и достоверность полученных в работе результатов основана на фактах одновременного использования комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и теоретических расчетов; согласия результатов, полученных различными методами; применения апробированных методик экспериментальных исследований и метрологически аттестованной прецизионной технологической и измерительной аппаратуры, в том числе, выпуска г. г.; проведения исследований на большом числе образцов каждого состава, показавших хорошую воспроизводимость свойств; использования компьютерных методов для моделирования диэлектрических спектров; апробации аппроксимирующих моделей на большом числе объектов исследования; анализа полученных экспериментальных результатов с привлечением современных теоретических представлений о фазовых переходах в конденсированных средах; соответствия результатов аналитических и численных решений.

Кроме этого, беспримесность изготовленных керамик всех групп ТР, близость параметров их кристаллической структуры к известным библиографическим данным, высокие относительные плотности образцов, однородность их поверхностей и сколов, равномернозернистость, экстремальность электрофизических характеристик при выбранных режимах изготовления керамик, воспроизводимость структурных, диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих параметров от образца к образцу внутри одного состава ТР, соответствие физических свойств ТР логике их изменения в каждой конкретной системе позволяют считать полученные результаты достоверными и надежными, а сформулированные положения и выводы - обоснованными.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Международных:

- научно-технических школах-конференциях “Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию”(под эгидой ЮНЕСКО). Москва. МИРЭА. 2003, 2005, 2006, 2007, 2008 г. г.;

- XIII научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых («Ломоносов»). Москва. МГУ. 2006 г.;

- научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» («INTERMATIC») (под эгидой ЮНЕСКО), Москва. МИРЭА. 2003, 2004,2006, 2007, 2008 г. г.;

- 5th International Seminar on Ferroelastics Physics. *****ssia.2006г;

- meetings “Phase transitions in solid solutions and alloys” (“OMA”). Rostov-on-Don-Big *****ssia. 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 г. г.;

- meetings “Order, disorder and properties of oxides” (“ODPO”). Rostov-on-Don-Big *****ssia. 2005, 2006, 2007,2008 г. г.;

- научно-технических конференциях «Межфазная релаксация в полиматериалах». Москва. МИРЭА. 2005 г.;

- научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения

и нанотехнологий» («Пьезотехника-2005»). Ростов-на-Дону - Азов. 2005 г.;

- конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Махачкала, респ. Дагестан. 2007 г.

- 11-й конференции "ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ" (ДИЭЛЕКТРИКИ - 2008). Санкт-Петербург. 2008 г.

2. Всероссийских:

- XVII, XVIII - й конференций по физике сегнетоэлектриков («ВКС-XVII, XVIII»). Пенза. 2005 г.; Санкт-Петербург. 2008 г.;

- семинара «Инновационные технологии в современном бизнесе» 2007г., г. Астрахань.

3. Региональных:

- II, III, IV, V-й научно - практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь XXI века - будущее российской науки". Ростов-на-Дону. Ростовский государственный университет, Южный Федеральный университет, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 г. г.;

- I, II, III, IV-й ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра Российской Академии Наук. Ростов-на-Дону. 2005,2006, 2007, 2008 г. г.

- I, II-й Научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов "Высокие информационные технологии в науке и производстве", Ростов – на –Дону. 2005, 2006 г. г.;

- семинара «Мониторинг участия Вузов в Болонском процессе: Южный Федеральный округ», г. Ростов-на-Дону. 2007г.

5. Студенческих

- 56, 58-й научных конференциях физического факультета Южного федерального университета. Ростов-на-Дону. 2004, 2006 г.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертации использованы в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проводимых на кафедре «Общая и прикладная физика» ЮРГТУ (НПИ), а также в отделе активных материалов НИИ физики ЮФУ:

В соответствии с тематическим планом научно – исследовательских работ кафедры «Общей и прикладной Физики»ЮРГТУ (НПИ) и НИИ физики ЮФУ.

‑ Тема: «Исследования статистических и динамических свойств нано–мезоскопических неоднородных систем, испытывающих структурные и магнитмые вазовые переходы».(рег.№2.2.06).

‑ Тема: «Создание, исследование структуры и предельных свойств электрически активных материалов на основе соединений кислородно - октаэдрического типа». (рег. № 2.3.06)

В соответствии с Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы»:

‑ проект №2.1.1/6931 «Неупорядоченные гетерогенные среды: новые фазы, гигантские пьезо-, пиро - и диэлектрические отклики».

В рамках грантов Российского Фонда фундаментальных исследований (РФФИ):

- № . Несоразмерные фазы, трансляционно – модулированные структуры и динамика кристаллической решетки сегнетоактивных соединений кислородно – октаэдрического типа с упорядоченными протяженными дефектами;

- № (ОФИ). Разработка и создание высокотемпературных сегнетопьезоэлектрических материалов, неохлаждаемых датчиков давления (ускорения, вибраций, пульсаций, детонаций) и измерительно вычислительного комплекса диагностики рабочего процесса и топливоподачи в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

- № а. Особенности формирования сегнетоэлектрических фазовых состояний кристаллических веществ в близи температуры плавления;

- № (офи). Разработка нанотехнологического процесса изготовления бессинцовых сегнетопьезокерамических материалов заменяющих ЦТС составы во всех функциональных группах их применений, и создание на этой основе высокочувствительных электромеханических преобразователей на объемных и поверхностных волнах; фильтров с различной шириной полосы пропускания; датчиков для систем связи, медецины, устройств работающих в силовых режимах.

- № . Коллективные локальные и наномасштабные дисторсии в сегнетоактивных гетерогенных структурах.

При поддержке.

I. Грантов Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ №№ НШ – 3505.2006.2; НШ – 5931.2008.2 «Электрически активные вещества и функциональные материалы».

II. Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно – технической сфере (государственные контракты:

‑ № 000р(7231) на выполнение НИОКР по теме: «Разработка лабораторно технологического регламента получения бессвинцового высокотемпературного (ВТ) материала и создание опытных образцов пьезоэлектрических датчиков на его основе» (рег. № 01.2.007.08637);

‑ № 000 по теме № 4 НИОКР «Разработка высокоомных несвинецсодержащих сегнетопьезоэлектрических керамик с широким интервалом рабочих температур»).

III. Грантов Южного Федерального университета.

‑ № К – 07 – Т – 40 «Разработка сегнетопьезоэлектрических материалов с ультравысокими рабочими температурами, гигантскими диэлектрическими, пьезоэлектрическими, электрострикционными константами и экологически безопасной нанотехнологии производства на их основе функциональных электромеханических преобразователей для нужд ракетно-космической техники. Создание на этой базе инновационного учебно-методического комплекса для магистерской и послевузовской подготовки, а также элективного курса по направлению "Физика и нанотехнология сегнетоэлектриков с предельными свойствами Диагностика риска банкротства предприятия»;

‑ № К – 08 – Т – 11 «Разработка экологически чистых электрических материалов с предельными свойствами, промышленных технологий их получения и функциональных датчиков различного пьезотехнического назначкения».

Кроме того, разработанные авторами измерительные стенды и программные продукты использованы в учебном процессе на кафедре «Общей и прикладной физики» ЮРГТУ (НПИ), «Физики полупроводников» физического факультета ЮФУ; на кафедре информационных технологий факультета высоких технологий ЮФУ при постановке спецпрактикумов по курсу лекций «Физика и технология сегнетопьезокерамики».

Предложенные автором диссертационной работы новые высокоэффективные сегнетопьезокерамические материалы применены в качестве основы пьезоэлементов, использующихся в датчиковой аппаратуре (, г. Зеленоград) и устройствах запуска летательных аппаратов (Российский федеральный ядерный центр (РФЯЦ ‑ ВНИИЭФ), институт взрыва, г. Саров).

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в печатных работах, представленных в журналах и сборниках трудов конференций, совещаний и симпозиумов. Всего по теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе, 1 патент на полезную модель, 3 статьи в центральной печати, 2 заявки на изобретение и на полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ. Полный список публикаций приведен в конце диссертационной работы, перечень основных публикаций дан в конце автореферата.

Личный вклад автора в разработку проблемы

Автором лично определены задачи, решаемые в работе; созданы 2 автоматических измерительных стенда; разработаны 3 программных продукта; собраны и обобщены в виде аналитического обзора библиографические сведения по теме диссертации; выбраны на основе литературных данных перспективные для последующего исследования объекты и разработаны оптимальные технологические регламенты получения и изготовления из них керамических образцов; на основе проведенных измерений диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств всех объектов в широком интервале внешних воздействий, изучены свойства классических и релаксорных сегнетоэлектриков, в том числе их фазовая картина; показана возможность достижения в системе ЦТС гигантских диэлектрических откликов и выявлены особенности её дисперсионных свойств; осуществлено компьютерное оформление всего графического материала.

Совместно с научными руководителем и консультантом работы автором осуществлен выбор направления исследований, сформулирована цель работы, проведено обсуждение и обобщение полученных в диссертации данных, а также осуществлена интерпретация некоторых полученных экспериментальных результатов.

Сотрудниками НИИ физики ЮФУ, в коллективе которых автор занимается научными исследованиями с 2004 года по настоящее время, осуществлены следующие работы: изготовлены отдельные керамические образцы некоторых составов материалов (к. х.н. , технологи , , ); проведены рентгеноструктурные исследования (с. н.с. ); даны консультации по вопросам измерения пьезоэлектрических и поляризационных характеристик (с. н.с. , доц. ), а также интерпретации дисперсионных свойств некоторых образцов (проф. ).

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, заключения, изложенных на 193 страницах, и приложения на 6 страницах. В диссертации 127 рисунков, 18 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 176 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы работы, сформулированы ее цель и задачи, определены объекты исследования, показаны научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, представлены основные научные положения, выносимые на защиту, описаны апробация работы и её внедрение, личный вклад автора, раскрыта структура работы, дана краткая характеристика каждой главы.

В первой главе дан литературный обзор библиографических сведений о релаксационных явлениях, наблюдаемых в сегнетоэлектриках. Описана классификация сегнетоэлектриков с точки зрения дисперсионного поведения диэлектрической проницаемости. Дано понятие диэлектрической спектроскопии как методе исследования
свойств сегнетоэлектриков. Приведены известные литературные данные об объектах исследования (материалах на основе твердых растворов ЦТС, PMN-PT, многокомпонентных средах). Сделан вывод о неполноте и противоречивости выполненных разными авторами исследований, практическом отсутствии данных о фазовой картине и электрофизических свойствах твердых растворов вышеназванных систем с широкой и детальной концентрационной вариацией компонентов. Это делает поставленные в настоящей работе цель и задачи актуальными как с научной, так и с практической точки зрения.

Вторая глава - методическая, в ней подробно описываются методы получения и исследования образцов. Состав изучаемых ТР отвечает формулам, приведенным в разделе "Объекты исследования".

Образцы ТР системы (1-x)PbZrO3-xPbTiO3 получены по обычной керамической технологии (твердофазный синтез, спекание без приложения давления). Синтез системы осуществлен в две стадии с промежуточным помолом и гранулированием порошков. Режимы синтеза: температура первого обжига T1 = 870 °С, второго Т2 = 870 °С. Изотермические выдержки при обеих температурах τ1 = τ2 = 7час. Подбор оптимальной температуры спекания (Тсп.) произведен путем выбора из трех используемых температур спекания Тсп., лежащих в интервале 1200 °С – 1260 °С. Наибольшей плотности заготовок отвечает режим Тсп = 1220°С -1240 °С, τсп = 3ч. (в зависимости от состава). Перед спеканием образцов пресс-порошки формовались в виде столбиков Ø12х20мм. Спеченные столбики подвергались механической обработке (резке по плоскости, шлифовке по плоским поверхностям и торцам) с целью получения измерительных образцов Ø10х1мм. В каждом составе таких образцов было 10-15 штук. Перед их металлизацией образцы прокаливались при температуре Тпрок. = 500 °С в течение 0,5 час. для удаления остатков органических веществ и обезжиривания поверхностей с целью повышения адгезии металлического покрытия с керамикой.