Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических микро- и нанокомпозитов

• Автор: Трюхан, Татьяна Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Благовещенск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Свойства сегнетоэлектрических композитных материалов

1.1. Природа сегнетоэлектричества и свойства сегнетоэлектриков

1.2. Взаимное влияние компонент в сегнетоэлектрических композитах

1.3. Теоретическое описание размерных эффектов в наноматериалах

1.4. Свойства наноструктурированных материалов

Глава 2. Основные характеристики исследуемых материалов, входящих в

состав композитов, и методика эксперимента

2.1. Основные свойства сегнетоэлектриков №N02, ВаТЮз, ТвБ

2.2. Свойства нанопористых материалов

2.3. Методика получения пористого анодного оксида алюминия
2.4. Методика эксперимента
Глава 3. Расчет диэлектрических свойств заполненных пористых пленок
оксида алюминия
3.1. Теоретические описания диэлектрических свойств неоднородных систем
3.2. Расчет параметров для параллельной схемы замещения
3.3. Расчет параметров для последовательной схемы замещения
3.4. Расчет погрешности при измерениях на разных частотах
Глава 4. Диэлектрические свойства сегнетоэлектрических композитов
4.1. Исследование фазовых переходов и диэлектрических свойств сегнетоэлектрического композита (Т1аЖ)2)1-х(ВаТЮз)х
4.2. Влияние размерных эффектов на диэлектрические свойства нитрита натрия в мезопористых силикатных матрицах
4.3. Диэлектрические свойства нанопористых матриц, заполненных триглицинсульфатом
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время появляется все большее количество работ, посвященных исследованиям композитных материалов на основе сегнетоэлектри-ков. Композиты такого рода могут иметь различную структуру: полярные частицы в слабо или сильно поляризуемых матрицах, полярные частицы в полярной матрице и т.д. Физические свойства малых частиц в таких композитах, связаны с размерами и их геометрией. Кроме того, существенную роль играют объемные соотношения компонент и взаимодействие частиц с матрицей и между собой. В совокупности эти факторы приводят к тому, что характеристики полученных таким образом структур, могут значительно отличаться от характеристик, исходных материалов. Малые сегнетоэлектрические частицы можно рассматривать как монодоменные, при этом дипольный момент такой частицы будет пропорционален спонтанной поляризации и размеру частицы. Электрическое взаимодействие между отдельными частицами имеет существенное значение в физике сегнетоэлектриков. При изучении кооперативных явлений в неупорядоченных системах было выявлено, что введение нецентральных примесей в сильно поляризуемые матрицы может приводить к появлению сегнетоэлектрической фазы [1]. Для сегнетоэлектри-ческих композитов, у которых входящие в такие системы компоненты могут взаимодействовать только посредствам электрического поля, имеются единичные работы [2]. Поля, возникающие, например, вокруг частиц титаната бария могут достигать 105 В/см. Это взаимодействие может приводить к изменению свойств компонент, входящих в композиты [3].
Отдельный интерес представляют композиты на основе сегнетоэлектриков, внедренных в нанопористые матрицы. В этом случае размеры частиц контролируются размерами пор и частицы образуют сеть, геометрия которой подчиняется геометрии структуры матрицы. Сегнетоэлектрические наночастицы в порах представляют собой модельные системы для изучения размерного эффекта в полярных диэлектриках. Наибольшее количество публикаций посвящено исследованиям малых

частиц нитрита натрия в порах синтетических опалов, пористых стекол и молекулярных решеток МСМ-41 и 8ВА-15. Таким образом, имеющиеся в настоящее время работы по исследованию диэлектрических свойств композитов требуют дальнейших исследований.
Целью диссертационной работы является исследование диэлектрических свойств композитов в зависимости от состава и размера составляющих компонент.
В качестве объектов исследования выбраны следующие композиты: (КаЬЮгД.ДВаТЮз)*, ЫаЫ02 в МСМ-41 с размерами пор 3,7 и 2,6 нм, (]8[Н2СНС00Н)зН2804 (ТС8) в матрицах с размерами пор от 4 мкм до 5 нм.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать взаимное влияние компонент в сегнетоэлектрическом композите (ТаМЭг-ДВаТЮзД для х = 0,05 и х = 0,10 на диэлектрические свойства и фазовые переходы в зависимости от процентного содержания и размеров частиц включений.
2. Исследовать температурно-частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости матриц МСМ-41 с размерами пор 3,7 нм и 2,6 нм, заполненных нитритом натрия.
3. Получить расчетные формулы для вычисления эффективных электрических параметров, заполненных пористых пленок А1203 и обратную задачу нахождения свойств внедренного вещества по эффективным параметрам заполненной матрицы.
4. Исследовать изменение диэлектрических свойств триглицинсульфа-та в различных пористых матрицах в зависимости от размеров и упорядоченности пор.
5. Сопоставить полученные экспериментальные результаты с теоретическими оценками и результатами работ других авторов.

Свойства сегнетоэлектрических цилиндрических наночастиц. Многие
экспериментальные работы [103-109] показывают, что с уменьшением размеров в цилиндрических наночастицах при определенных условиях сохраняется сегнетоэлектрическое состояние. Например, в работе [103] говорится о наличии и усилении полярных свойств в наноцилиндрах сегнетовой соли, которые выращивались из насыщенного водного раствора внутри пористой оксидной пленки алюминия со средним диаметром 30 нм и высотой около 500 нм. Авторы работы [103] определили значение остаточной поляризации по петлям сегнетоэлектрического гистерезиса, которой оказалось на порядок больше, чем для объемного монокристалла и составило 0,02 - 0,05 Кл/м2. Этот факт объясняется тем, что механическое зажатие наноцилиндров стенками пор приводит к стабилизации сегнетоэлектрической фазы вплоть до температуры разложения сегнетовой соли, которая равна 55 °С и на 30 °С выше температуры фазового перехода в объемных монокристаллах сегнетовой соли.
Как показывают экспериментальные данные, свойства сегнетоэлектрических нанотрубок и наностержней существенно зависят от тепловых деформаций и механических напряжений, которые могут сохранять и усиливать полярные свойства цилиндрических наностиц за счет механического сжатия частицы при изготовлении [103]. Авторы работы [110], выполняя расчеты из первых принципов для радиально сжатой нанопроволоки ВаТЮз, доказали наличие спонтанной поляризации для проволоки с радиусом меньше 1,2 нм. В работе [87] рассматриваются фазовые переходы в бесконечно длинных, поляризованных вдоль оси проволоках с использованием феноменологического подхода. Поле деполяризации при такой геометрии отсутствует.
Изменения сегнетоэлектрических свойств наночастиц (нанодисков, наностержней, нанопроволок, нанотрубок) описываются в работах [111-114] в зависимости от их формы, размера и окружения. Также рассматривается зависимость поля деполяризации, корреляционных эффектов и механических напряжений от формы и размеров частицы. Теоретическое описание для ци-