авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

И термочастотные свойства сегнетопьезоэлектрических твердыхрастворов многокомпонентных систем.

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЮРАСОВ ЮрийИгоревич

Получение,электрофизические и термочастотные свойства

сегнетопьезоэлектрических твердыхрастворов

многокомпонентных систем.

05.27.06 – Технология и оборудование дляпроизводства полупроводников, материалови приборов электронной техники

01.04.07– Физика конденсированногосостояния

Автореферат

насоискание ученой степени

кандидататехнических наук

Новочеркасск

2009

Работа выполнена на кафедре общей иприкладной физики Южно-Российскогогосударственного технического университета(Новочеркасского политехническогоинститута) (ЮРГТУ - НПИ), в отделе активныхматериалов Научно-исследовательскогоинститута физики Южного федеральногоуниверситета в рамкахнаучно-исследовательских работ,выполняемых позаданию Министерства образования и наукиРоссийской Федерации (проект №2.1.1/6931), атакже при поддержке Российского ФондаФундаментальных исследований (гранты РФФИ №№ 99-02-17575,02-02-17781, 04-02-08058, 05-02-16916а, 06-02-08035, 08-02-01013); Фондасодействия развитию малых формпредприятий в научно-технической сфере(гос. контракты №№ 4991, 7231, 7463); грантовПрезидента Российской Федерации (НШ – 3505.2006.2, 5031.2008.2);грантов Южного федерального университета (№ К-07-Т-40, №К-08-Т-11).

Научный

руководитель:

докторфизико-математическихнаук,

профессорЛунинЛеонид Сергеевич

Научный

консультант:

докторфизико-математическихнаук,

профессор Резниченко ЛарисаАндреевна

Официальные

оппоненты:

доктортехнических наук,

профессор ТрипалинАлександр Сергеевич


кандидатфизико-математическихнаук,

профессор Папков ИгорьПетрович

Ведущая

организация:

Московскийгосударственныйинститутрадиотехники,электроники иавтоматики(техническийуниверситет).

(МИРЭА).г. Москва.

Защита диссертациисостоится "21" мая 2009 годав 1000 часов на заседанииДиссертационного совета Д. 212.304.09. приЮжно-Российском государственномтехническом университете (Новочеркасскомполитехническом институте) (ЮРГТУ-НПИ) поспециальностям 05.27.06 – Технология и оборудование дляпроизводства полупроводников, материалов иприборов электронной техники»,01.04.07 «Физика конденсированногосостояния», материалов иприборов электронной техники, по адресу: 346428. г.Новочеркасск. ул. Просвещения. д.132. ЮРГТУ(НПИ), Диссертационный зал (ауд. 107 гл. корп.).

С диссертациейможно ознакомиться в научной библиотеке Южно-Российского государственноготехнического университета(Новочеркасского политехническогоинститута).

Авторефератразослан "14" апреля 2009 года.

Отзывы на автореферат,заверенные печатью учреждения, следуетнаправлять ученому секретарюДиссертационного совета Д. 212.304.09
по адресу: 346428. г. Новочеркасск. ул.Просвещения. д.132. ЮРГТУ (НПИ).





Ученый секретарь

Диссертационного

совета Д. 212.304.09,

к.т.н, доцент В.И.Устименко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность темыдиссертации.

В ряду известныхэлектрически активных материаловэлектронной техники особое место занимаюттвердые растворы бинарных систем (1-x)PbZrO3-xPbTiO3(ЦТС) (классическиесегнетоэлектрики), (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3 (PMN-PT)(сегнетоэлектрики – релаксоры) и многоэлементныекомпозиции с их участием, ставшие основойпрактически всех известных в мировойпрактике промышленно выпускаемыхматериалов [1-2]. Изучение физико-техническихсвойств таких материалов, продолжающееся уже болееполувека, выявило широкий спектр ихфункциональных возможностей, во многомопределяемый особой фазовой картинойназванныхсистем, включающей морфотропную область ссопутствующими ей экстремальнымипрактически важными параметрами.

В последние годы всвязи с существенным расширением сферприменений подобных материалов и рабочихинтервалов оказываемых на них внешнихвоздействий(являющихся, в том числе, и деталямитехнологических приемов), диктуемыхособенностями современной техники:интенсификаций процессов, связанных сростомрабочих температур, давлений, частот,ускорением энергетическихпревращений;– передсегнетопьезокерамическими материалами иустройствами на их основе выдвинуты болеежесткие требования к их характеристикам. Кпоследним относится возможностьэксплуатации при сверхвысоких исверхнизких частотах переменногоэлектрического поля (актюаторы, сенсоры сгигантской диэлектрической проницаемостью), приультравысоких температурах(дефектоскопический контроль атомныхреакторов), в устройствах управленияэлектрострикторными двигателями ипьезоманипуляторами вмикропроцессорной робототехнике и пр. Всвязи с этим необходимо детальное (с малымисследовательским шагом) комплексное(теория, эксперимент) изучение физических свойствназванных объектов в широком интервалеконцентрацийкомпонентов и внешних воздействий, что истало цельюнастоящей работы.

Учитывая, что подобныеисследования ранее проводились наизбранных составах систем и полученные разнымиавторами сведения оказывалисьнеоднозначными и противоречивыми,представлялось актуальнымпроведение указанных выше исследований,значимых как в научном плане(установление физической природы и механизмовнаблюдаемых явлений), так и с практической точкизрения (разработка и применение на основеполученных новых знаний высокоэффективныхматериаловэлектронной техники).

Цель работы:

  • выбрать рациональныетехнологические режимы и получить образцытвердых растворов (ТР) систем (1-x)PbZrO3-xPbTiO3(ЦТС) и (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3(PMN-PT), а также четырехкомпонентной системына их основе с оптимальнымивоспроизводимыми электрофизическимипараметрами;
  • провеcти комплексные исследования(кристаллической структуры,диэлектрических, пьезоэлектрических и упругихсвойств, термочастотных спектров) ТРбинарныхсистем ЦТС, PMN-PT, многокомпонентных Pb – содержащихкомпозиций с малым концентрационным шагомв широком интервале внешних воздействий(температур и частот измерительногоэлектрического поля);
  • установить корреляционные связифазовая картина – макроскопические отклики вназванных ТР;
  • выбрать на основе полученныхданных перспективные основыфункциональных материалов, пригодных длядальнейшей доработки их до практическихприменений вэлектронной технике.

Для достиженияпоставленной цели необходимо решитьследующие задачи:

  • изготовить образцы ТР сварьируемым концентрационным шагом, в томчисле, очень малым x=0.0025-0.005, произведяпостадийную оптимизацию регламентов их синтеза испекания,: бинарной системы (1-x)PbZrO3-xPbTiO3(0x0,90);бинарной системы (1-x)Pb Nb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3(0x1,0); ТРчетырехкомпонентной системы0.98(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);
  • создать автоматическиеизмерительные стенды для определениядиэлектрической проницаемости и тангенсаугла диэлектрических потерьсегнетопьезоматериалов в широкоминтервале температур от 20 0С до 700 0С и частотизмерительного электрического поля: 1) от10-3 Гц до105 Гц; 2) от 25 Гцдо 106Гц;
  • разработать для созданныхавтоматических стендов программныепродукты контроля и управления процессамиизмерения образцов с последующим расчетомдиэлектрической проницаемости и тангенсаугла диэлектрических потерь, в том числе,определения пиковых значенийдиэлектрической проницаемости всегодиэлектрического спектра в диапазонечастот: 1) 10-3Гц - 105 Гц; 2) 25Гц - 106 Гц, атакже 3) анализа диэлектрических спектров спомощью аппроксимационных моделей Коула-Коула,Дэвидсона-Коула, Гаврилиака-Негами, Дебаядля мнимой и действительной частейдиэлектрической проницаемости споследующим построением, по полученным данным,диаграмм Коула-Коула;
  • на основе рентгенографическихданных выявить локализацию фаз, фазовыхсостояний,областей их сосуществования, морфотропныхобластей в изучаемых системах ТР;
  • произвести исследованиядиэлектрических спектров изготовленных ТРв широкихинтервалах температур от 20 0С до 700 0С и частотизмерительного электрического поля от10-3 Гц до105 Гц;
  • провести измерениядиэлектрических, пьезоэлектрических,упругих и механических характеристикобразцов;
  • установить корреляционные связисостав –структура - свойства – области применения ТР наоснове полученных данных;
  • выбрать оптимальныекомпозиционные основы для последующегосоздания новых высокоэффективных материалов сцелевыми потребительскими свойствами: сдостаточно высокими относительнойдиэлектрической проницаемостью,пьезомодулями, пьезочувствительностью,пьезоанизотропией, пьезодеформацией;–перспективных для применения вэлектронной технике.

Объектыисследования:

бинарные системы твердыхрастворов:

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

Винтервалах 0 x 0.12, 0.30 x 0.36, 0.37 x 0.42 и0.52 x 0.57 исследовательский концентрационныйшаг x = 0.01; в интервале 0.42 < x< 0.52 x = 0.005; в интервале 0.60 < x< 0.90 x = 0.025. При необходимости(для уточнения закономерностейизменения свойств в отдельных областях)использованы x =0.0025;

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

Винтервалеконцентраций 0 x 0.45 - x = 0.01, в интервалеконцентраций 0.45 < x 0.95 - x = 0.05;

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

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

В интервалахконцентраций 0.37 x 0.425, 0.515 <x < 0.57 x= 0.01, в интервале концентраций0.425 x 0.515 -x = 0.00250.005;

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

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

Во всех исследуемыхконцентрационных интервалах ТР4 иТР5 x = 0.01(в отдельных фрагментах фазовых диаграммиспользовался шаг по x =0.00250.005)

Твердотельныесостояния:

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

Научная новизнаработы.

    1. Разработаны оптимальные условия иконкретные 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 сэкстремально возможными (в условияхмассового производства) воспроизводимымиэлектрофизическими параметрами,позволившими впервые установить закономерности ихформирования и корреляционные связисостав (химическая композиция) – структура(кристаллическое строение) – свойства(диэлектрические, пьезоэлектрические, упругие,механические) – области применения.
    2. Впервые детально (с малымисследовательским концентрационнымшагом), комплексно (теория, эксперимент,включающий серию независимых методовизмеренияфизических свойств объектов:рентгенографию, измерение плотности,исследование более 20 электрическиххарактеристик при комнатнойтемпературе,диэлектрических спектров в интервалах250С 7000С, 25 Гц 1МГц)изучены свойства широкого класса объектов(классические сегнетоэлектрики (СЭ), СЭ– релаксоры,СЭ с размытым фазовым переходом (РФП)) набольшом количестве образцов (в каждойсистеме –более 200 составов с 10 15 образцами каждогосостава, что сделало полученныеэкспериментальные результатыдостоверными и надежными).
    3. Впервые разработаны и созданыизмерительные стенды для исследованияэлектрофизических параметров в широкихинтервалах температур и частот и программные продуктыдля расчета электрофизических параметровв широких диапазонах внешних воздействий,позволившие в автоматическом режиме,(экспрессно-конвейерным методом,круглосуточно) провести все исследования содновременным графическимоформлением полученных результатов.
    4. Выявлен более сложный видфазовых диаграмм бинарных систем, чемэто было известно ранее, и установленафазовая картина в новой многокомпонентнойсистеме,вскрыты причины возникновения в них«каскада» структурных неустойчивостей, связанные среальной (дефектной) подсистемойобъектов.
    5. Впервые показана возможностьдостижения в системе ЦТС гигантскихдиэлектрических откликов(диэлектрической проницаемости,электропроводимости), делающих еёперспективной для низкочастотныхприменений.
    6. Впервые выявлены особенностидисперсионных свойств рассматриваемыхсистем иустановлена их связь с фазовой картиной,пространственной неоднородностью керамик,степенью несовершенства кристаллическойструктуры и кристаллохимической спецификой изучаемыхтвердых растворов.

Практическаязначимость работы.

  1. Созданы два измерительных стенда,использующиеся в учебном и научномпроцессах,для исследования термочастотногоповедения твердых растворов сегнетопьезокерамическихматериалов:

- автоматическийизмерительный стенд электрофизическихпараметров сегнето- пьезоматериалов в широкоминтервале температур и частот./ Патент наПолезную модель.- Регистрационный номер 66552от 10.09.2007. Решение о выдаче патента от 21.05.2007.По заявке 2007102548 от 23.01.2007;

- автоматическийизмерительный стенд электрофизическихпараметров сегнето- пьезоматериалов в широкоминтервале температур и инфранизкихчастот./ Заявка на выдачу патента наПолезную модель. - Регистрационный номер2008111957 от 28.03.2008.

  1. Разработаны программные продукты,использующиеся в созданных стендах:

- расчетдиэлектрической проницаемости и тангенсаугла диэлектрических потерь в широкоминтервале температур и частот(Лабораторный стенд ЮКОМП 2.0)/Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМ. №2006611142.Зарегистрировано в Реестре программ дляЭВМ 29 марта 2006г.;

- расчетдиэлектрической проницаемости и тангенсаугла диэлектрических потерь в заданноминтервале температур и частот(Лабораторный стенд ЮКОМП 3.0) /Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМ №2006611527.Зарегистрировано в Реестре программ дляЭВМ 6 мая 2006г.;

- расчет мнимой идействительной частей диэлектрическойпроницаемости по формулам Коула-Коула,Дэвидсона-Коула, Дебая и Гаврилиака-Негами(АнализКоула-Коула ЮКОМП 4.0),/ Свидетельство обофициальной регистрации программы для ЭВМ№2007611184.- Зарегистрировано в Реестрепрограмм для ЭВМ 21 марта 2007г.

  1. Получены твердые растворы состава0.98(0,41PbTiO3- 0,295PbZrO3– 0,295PbNb2/3Mg1/3O3)– 0.02PbGeO3,характеризующиеся достаточно высокимизначениями температуры Кюри Тс 300 °С, относительнойдиэлектрической проницаемости 33Т/0 =2100,пьезомодулей |d31| = 150 пКл/Н, d33= 345пКл/Н, пьезочувствительности |g31| =|d31|/33T= 8.1мВ/Н и удельной чувствительности = 8 пКл/Н, учитывающей внутреннеесопротивление приемника ультразвука,перспективные при работе как на нагрузку,так и в режиме холостого ходапреобразователей, эксплуатируемых всреднечастотном диапазоне.
  2. Предложены в качестве основфункциональных материаловтвердые растворы состава0.98(0,11PbTiO3-0,05 PbZrO3 – 0,84PbNb2/3Mg1/3O3)– 0.02PbGeO3,которые характеризуются высокойпьезодеформацией 33max~2.0 мкм при Е = 10.0 кВ/см, что делает ихнезаменимыми в устройствах, где требуютсябольшие, управляемые электрическим полем,микроперемещения (порядка нескольких илидесятков микрометров).
  3. Разработан пьезоэлектрическийкерамический материал с ультравысокойрабочей температурой (до 1400 К), бесконечнойпьезоанизотропией (kt/kp,d33/|d31|),достаточно высокими коэффициентамиэлектромеханической связи толщинной модыколебаний (kt~0,4) для устройствдефектоскопического контроля атомныхреакторов. (Патент на изобретение -Регистрационный номер 2007115458 от25.04.2007).
  4. Показана перспективностьиспользования некоторых твердых растворовсистемы ЦТС с гигантской диэлектрическойпроницаемостью (/0~60000) иэлектропроводностью (~ 10-3(Ом*м)-1) внизкочастотной пьезотехнике.

Основные научныеположения, выносимые на защиту:

  1. Получение сегнетопьезокерамиксоставов (1-x)PbZrO3-xPbTiO3, (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3,0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3–zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3необходимо проводить при эмпирическиопределяемых условиях, обеспечивающих отсутствиенепрореагировавших (в результатенезавершенности твердофазных реакций)компонентов; сохранение стехиометриихимических композиций; однородность посоставу и плотности керамик; исключениенарушения их механической целостности, чтопозволяет почти на порядок сузитьконцентрационный исследовательский «шаг»(x=0,0025 0,0050 мол. % посравнению с традиционно используемым x=0,01 0,05 мол. %) иосуществить детальное изучениефизико-технических свойств твердыхрастворов выбранных систем.
  2. Сложный вид зависимостейэлектрофизических свойств от температурыи концентрации компонентов в изучаемыхтвердых растворах обусловлен ихкорреляциейс фазовым наполнением систем: большимколичеством фаз, изосимметрийных состояний,областей сосуществования тех и других,возникновению которых благоприятствуетдефектная ситуация в объектах.
  3. Дисперсионные свойства в системеЦТС, выявившие специфическую картинупроявления в ней релаксационных процессов:существование глубокой релаксации удельнойэлектропроводимости, , характерной длянизких температур, и её практическоепрекращение при Т~500 оС с сохранениемглубокой дисперсии действительной частикомплексной диэлектрическойпроницаемости '; отсутствие высокочастотногонасыщения; необычное чередование наклоновна кривых (T); -могут быть связаны со спектром времёнрелаксации, характерным для ЦТС-керамикпри высоких температурах.
  4. В системе PMN-PTимеет место ряд физических явлений,обусловленных термочастотным поведениемдиэлектрической проницаемости:формирование трех концентрационныхобластей, отличающихся типом твердыхрастворов (сегнетоэлектрики –релаксоры, сегнетоэлектрики сразмытым фазовым переходом, классическиесегнетоэлектрики); усложнение врелаксорной области диэлектрическихспектров, имеющих недебаевскую природу, помере продвижения вглубь системы: отсимметричного, далее – несимметричногораспределения времен релаксации и при большихсодержаниях PbTiO3 в системе - кналичию нескольких, часто перекрывающихсярелаксорных процессов; возникновение двухтипов дисперсии в параэлектрическойобласти: высокотемпературнойслаборелаксационной вблизи 600 0С инизкотемпературной сильнорелаксационнойпри T~3500C; существованиедополнительного вклада в релаксационныепроцессы, свойственные сегнетоэлектрикам–релаксорам, максвелл-вагнеровскойполяризации.
  5. В многокомпонентной системе0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3–zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3упрощение фазообразования за счетвзаимовлияния различных типов дефектовструктуры (точечных, протяженных,каркасных - блочных) твердых растворов иболее высокой плотности образцов из-заспекания с участием жидкой фазы приводитк уменьшению дисперсии диэлектрическойпроницаемости и «изрезанности»концентрационных зависимостейэлектрофизических параметров.

Надежность идостоверность полученных в работерезультатов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.