Сегнетоэлектрики используются в огромном количестве устройств современной электронной техники от конденсаторов, медицинских и промышленных ультразвуковых излучателей до энергонезависимой оперативной памяти, которая имеет особое значение для космических аппаратов за счет своей повышенной радиационной стойкости. В новом исследовании ученый НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов обнаружил, что многие свойства сегнетоэлектриков, традиционно связываемые с композиционным беспорядком, могут наблюдаться в упорядоченных системах, что расширяет возможности создания новых материалов.
Ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов
Материалы, обладающие спонтанной электрической поляризацией, направление которой «переключается» внешним электрическим полем, называются сегнетоэлектриками. Особую роль в физике сегнетоэлектрических материалов играют сильно разупорядоченные системы – сегнетоэлектрики-релаксоры, которые обладают рекордными свойствами и представляют значительный интерес для применения в устройствах микропозиционирования.
«В рамках поиска новых сегнетоэлектрических материалов с повышенными функциональными характеристиками мы с коллегами из Российского технологического университета — МИРЭА и Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН при экспериментальном исследовании керамических образцов на основе системы Ba(Ti,Zr)O3 обнаружили удивительную особенность. Она состояла в том, что отдельные образцы, отличающиеся по своему химическому составу, характеризуются высокими значениями параметров размытия сегнетоэлектрического перехода, сопоставимыми со значениями, известными для сегнетоэлектриков-релаксоров. Однако никаких других признаков релаксорного поведения диэлектрических свойств обнаружено не было. Это позволило сделать предположение о том, что причины сильного размытия могут быть связаны с другим механизмом, который не связан с характерным для сегнетоэлектриков-релаксоров композиционным беспорядком», — рассказал доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Михаил Таланов.
Для проверки своего предположения ученые провели дополнительные эксперименты по детальному исследованию кристаллической структуры образцов. С помощью методов теории групп Михаил Таланов проанализировал экспериментальные данные и показал, что сильное размытие фазового перехода наблюдается в образцах с очень специфичной кристаллической структурой, образованной за счет конкуренции смещений двух типов катионов. Теория групп была необходима, чтобы выделить именно ту составляющую структурных искажений и атомных смещений, которая связана с сегнетоэлектрическими свойствами, а, следовательно, и с размытием фазового перехода.
«При изменении химического состава образцов в их структуре начинают преобладать смещения определенного типа и размытие ослабевает. То есть нами обнаружен новый, геометрический по своей сути, структурный механизм размытия сегнетоэлектрического перехода, который обусловлен не композиционным беспорядком (как в сегнетоэлектриках-релаксорах), а особенным внутренним балансом атомных смещений, приводящим к их конкуренции», — заявил Михаил Таланов.
Этот результат расширяет возможности создания новых сегнетоэлектрических материалов, поскольку некоторые из важных для практического применения свойств (размытие сегнетоэлектрического перехода), которые характерны для неупорядоченных систем, могут быть достигнуты в упорядоченных структурах за счет специфического баланса атомных смещений. С практической точки зрения обнаруженный механизм может оказаться удобным инструментом для повышения температурной стабильности свойств сегнетоэлектрических материалов.
Результаты работы опубликованы в научном журнале «Acta Materialia» с IF = 9.209. Теоретическая часть исследования была выполнена в рамках успешно завершенного проекта РНФ и также отражена в ряде статей в высокорейтинговых журналах: «Chemistry of Materials», «Materials Research Bulletin» и в виде главы в коллективной монографии издательства Elsevier.
«Для меня важно, что эта работа является развитием идей, сформулированных мной в докторской диссертации — идей, которые относятся к направлению дизайна функциональных материалов. В этом году мои исследования в этой области получили поддержку в виде стипендии Президента РФ и нового проекта РНФ «Ротационные искажения в многоподрешеточных кристаллах: дизайн функциональных материалов с управляемыми физическими свойствами», — поделился Михаил Таланов.
Информация и фото предоставлены Центром общественных коммуникаций Южного федерального университета
Фото: личный архив, Михаил Таланов
