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 |

Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивная нелинейность сегнетокерамик различной степени сегнетожесткости

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи


ЕСИС Андрей Александрович


ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИСТЕРЕЗИС, ОБРАТНЫЙ ПЬЕЗОЭФФЕКТ И РЕВЕРСИВНАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ СЕГНЕТОКЕРАМИК РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ СЕГНЕТОЖЕСТКОСТИ

Специальность:

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону

2007

Работа выполнена в отделе активных материалов Научно-исследовательского института физики и на кафедре физики полупроводников физического факультета Южного федерального университета в рамках научно-исследовательских работ, выполняемых по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации, а также при поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (гранты РФФИ №№ 99-02-17575, 02-02-17781, 04-02-08058, 05-02-16916а; 06-02-08035), гранта Президента Российской Федерации НШ – 3505.2006.2, гранта Южного федерального университета № К-07-Т-40.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Резниченко Л.А.
Официальные ооппоненты: академик РАО, доктор физико-математических наук, профессор Греков А.А.
кандидат физико-математических наук, доцент Чернобабов А.И.
Ведущая организация: Тверской государственный университет

Защита диссертации состоится "13" ноября 2007 года в 1430 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.208.05 при ЮФУ по специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 194, НИИ физики ЮФУ.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан "12" октября 2007 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, следует направлять ученому секретарю Гегузиной Г.А. по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, НИИ физики ЮФУ.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.05

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Гегузина Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Керамические сегнетоэлектрики привлекают большое внимание исследователей и разработчиков аппаратуры благодаря возможности эффективно управлять их свойствами с помощью различных внешних воздействий. Такая возможность реализуется благодаря существованию сегнетоэлектрических фазовых переходов, приводящих к неустойчивости кристаллической решетки и возникновению доменной структуры. Переключения доменов под действием внешних электрических и/или механических полей, температуры и других факторов позволяют в широких пределах изменять диэлектрические, пьезоэлектрические и упругие свойства сегнетоэлектриков. Доменные переключения сопровождаются диэлектрическим, пьезоэлектрическим (электромеханическим) и упругим гистерезисом.

Ставшие уже классическими эмпирические исследования диэлектрического гистерезиса в разных объектах [1] были продолжены работами [2-4], в которых для описания процессов переполяризации и статического распределения доменов был использован формализм Прейзаха, ранее предложенный для исследования процессов намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков. Это стало возможным благодаря далеко идущей феноменологической аналогии между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками.

Позже модель Прейзаха была использована [5] для изучения пьезоэлектрических свойств и электромеханического гистерезиса – явления запаздывания циклического изменения поляризации (или электрической индукции) по отношению к вызвавшему ее циклическому изменению механического напряжения – при прямом пьезоэлектрическом эффекте. Однако подобное изучение обратного пьезоэффекта, тем более в материалах различной степени сегнетожесткости, используемых в разных пьезотехнических областях, не проводилось. Между тем информация о поведении обратного пьезомодуля d33обр.=3/Е3, являющегося мерой деформации 3 образца в направлении приложенного вдоль полярной оси электрического поля Е3, в таких материалах крайне необходима не только с научной, но и с практической точки зрения, в связи с возможностью использования материалов с большими значениями 3 и d33обр в устройствах позиционирования, где требуются большие величины индуцируемых электрическим полем смещений. Кроме того, для многих практических применений необходимы сведения о поведении сегнетоэлектриков в сильных электрических полях. В связи с этим исследования электромеханического гистерезиса, обратного пьезоэффекта и реверсивной нелинейности в сегнетокерамиках различного состава, до настоящего времени остающиеся весьма неполными и противоречивыми, представляются актуальными.

Все вышесказанное определяет

цель работы: установить закономерности проявления эффектов электромеханического гистерезиса, обратного пьезоэффекта и реверсивной нелинейности в материалах различной степени сегнетожесткости. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • приготовить в виде керамик необходимые объекты исследования;
  • установить закономерности изменения их деформации, обратного пьезомодуля, реверсивной диэлектрической проницаемости, поляризационных параметров в широком интервале концентраций компонентов и напряженностей электрического поля;
  • выявить специфику поведения указанных характеристик в группах сегнетомягких, средней сегнетожесткости, сегнетожестких керамик; в пористых и композиционных средах; в n-компонентных (n = 2 - 4) системах твердых растворов (ТР) (классических сегнетоэлектрических и релаксорных) с направленным изменением концентрации компонентов;
  • установить связь наблюдаемых эффектов с кристаллической структурой объектов и фазовой картиной в изученных системах твердых растворов.

Объекты исследования:

    • материалы типа ПКР (пьезокерамика ростовская) трех групп различной сегнетожесткости:

-сегнетожесткие (СЖ: ПКР-8, ПКР-77М, ПКР-78, ПКР-23);

-средней сегнетожесткости (ССЖ: ПКР-87, ПКР-86, ПКР-6);

-сегнетомягкие (СМ: ПКР-73, ПКР-7М, ПКР-7, ПКР-66);

    • пористая пьезокерамика и композиты на ее основе:

-сегнетомягкие материалы - ЦТСНВ-1, PZ-29, ЦТССт-2;

-сегнетожесткие материалы - ПКР-78, АРС-841;

-высокочувствительные материалы - ПКР-1;

    • бинарные системы ТР:

-(1-x)PbZrO3-xPbTiO3 (ЦТС, PZT), в интервалах 0.37 x 0.42 и 0.52 x 0.57 - исследовательский концентрационный шаг x = 0.01; в интервале 0.42 < x < 0.52 - исследовательский концентрационный шаг x = 0.005 (при необходимости x = 0.0025);

-(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3 (PMN-PT), в интервале концентраций 0 x 0.45 - x = 0.01 (при необходимости использован шаг x = 0.0025); в интервале концентраций 0.45 < x 0.95 - x = 0.05;

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

Твердотельные состояния:

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

Научная новизна.

В ходе выполнения диссертационной работы впервые:

  • в классических сегнетоэлектриках и сегнетоэлектриках-релаксорах определены границы применимости закона Рэлея для описания зависимостей обратного пьезомодуля от напряженности электрического поля;
  • показано, что в образование максимумов на зависимостях d33обр.
    (Е) вносят вклад процессы фазообразования и доменных переориентаций;
  • установлены немонотонные зависимости от напряженности электрического поля дифференциального пьезоэлектрического коэффициента d33 и дифференциального коэффициента электрострикции М33; дано объяснение наблюдаемым эффектам;
  • установлен факт возникновения гигантской электрострикции в сегнетомягких и релаксорных керамиках;
  • выявлено несколько областей реверсивной нелинейности, отличающихся поведением относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля;
  • показано, что поведение деформационных, поляризационных и реверсивных характеристик коррелирует не только с глобальной структурой фазовых диаграмм твердых растворов, но и в пределах фазы (с заданным дальним порядком) с элементами структуры в микро- и мезоскопических масштабах.


Практическая значимость работы.

Установленные в работе закономерности могут быть использованы для разработки функциональных сегнетоактивных материалов, эксплуатируемых в силовых режимах (пьезотрансформаторы, пьезодвигатели и пр.), а также в низкочастотной приемной аппаратуре. Установленные в различных объектах зависимости деформации от напряженности электрического поля, характеризующие ее отставание от приложенного напряжения, позволяют определять условия работы исполнительных механизмов нанотехнологических устройств авторегулирования при отработке заданного перемещения в ненагруженных системах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. В области слабых электрических полей (0 < Е 6 кВ/см для классических сегнетоэлектриков (СЭ) типа ЦТС, 0 < Е 3 кВ/см – для СЭ–релаксоров типа PMN-PT) зависимости обратного пьезомодуля d33 от напряженности электрического поля линейны и хорошо описываются законом Рэлея. В области сильных полей закон Рэлея не выполняется и целесообразно использование модели Прейзаха.
  2. В твердых растворах из окрестности морфотропного фазового перехода под действием электрического поля развиваются два процесса: фазообразование и перестройка доменной структуры. При этом в группах
  • сегнетомягких (СМ) и средней сегнетожесткости (ССЖ) материалов оба процесса формируются в интервале одних и тех же значений Е, совпадающих с напряженностями электрического поля, при которых достигаются максимумы обратного пьезомодуля и реверсивной диэлектрической проницаемости;
  • в сегнетожестких (СЖ) материалах активное движение доменных границ начинается только в достаточно сильных полях Е = 11-15 кВ/см, совпадающих по величинам с теми, при которых наблюдались максимумы d33 и (/0)реверс.. В средних же полях Е = 6-8 кВ/см развивается процесс кластеризации структуры, зарождения и развития новых фазовых состояний.
  1. Немонотонная зависимость от напряженности электрического поля дифференциального пьезомодуля d33 и дифференциального коэффициента электрострикции M33, измеряемых на девственной кривой деформации, вызваны нелинейностью поляризации. Большая величина диэлектрической восприимчивости обусловливает гигантскую электрострикцию M33 10-14 м2/В2, положительную в слабых и отрицательную в сильных электрических полях.
  2. В каждой из систем – PMN-PT и ЦТС выявлены 3 области реверсивной нелинейности с характерными зависимостями 33Т/0(Е):
    • вблизи PbTiO3 последние приобретают практически линейный безгистерезисный вид, что связано с затрудненностью доменных переориентаций в твердых растворах (ТР);
    • в объектах, богатых PbMg1/3Nb2/3O3, в которых отсутствует классическая доменная структура, вид указанных зависимостей (колоколообразный, безгистерезисный) определяется движением границ, разделяющих области полярных нанодоменов и неполярную матрицу;
    • в остальных случаях (зависимости 33Т/0(Е) в виде петель-"бабочек", симметричных и асимметричных) диэлектрическая нелинейность является следствием компромисса между следующими, зачастую одновременно протекающими процессами: доменно - ориентационными и доменного "зажатия - освобождения"; фазовых превращений и движений межфазных границ; индуцирования полярных состояний в микрообластях; дефектообразования.
  3. Макроскопические свойства (деформационные, поляризационные и пр.) коррелируют не только с элементами глобальной фазовой структуры объектов, но и с состояниями внутри изосимметрийных полей, связанными с реальной (дефектной) структурой твердых растворов.

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 теоретических и экспериментальных результатов, применения апробированных методов экспериментальных исследований и метрологически аттестованной измерительной аппаратуры, в том числе, выпуска 2004-2005 гг., проведения исследований на большом числе образцов каждого состава.

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 и симпозиумах:

1. Международных:

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

- 4th, 5th International Seminar on Ferroelastics Physics. Voronezh. Russia.2003, 2006 г.;

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

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

- конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии». Томск. 2003 г.;

- научно-технических конференциях «Межфазная релаксация в полиматериалах». Москва. МИРЭА. 2003, 2005 г.;

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

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

- научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры». («ПЛЕНКИ-2005» (Межфазные процессы в гетерогенных материалах)). Москва. 2005 г.

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

2. Всероссийских:

- научно-практических конференциях «Керамические материалы: производство и применение». Москва. 2003 г. Великий Устюг. 2007 г.;

- XVII конференции по физике сегнетоэлектриков («ВКС-XVII»). Пенза. 2005 г.

3. Межрегиональных:

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

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

4. Студенческих

- 56, 57-й научных конференциях физического факультета Южного федерального университета. Ростов-на-Дону. 2004, 2005 г.


Публикации

Основные результаты диссертации отражены в печатных работах, представленных в журналах и сборниках трудов конференций, совещаний и симпозиумов. Всего по теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 8 статей в центральной и зарубежной печати. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.


Личный вклад автора в разработку проблемы

Автором лично определены задачи, решаемые в работе; собраны и обобщены в виде аналитического обзора библиографические сведения по теме диссертации; выбраны на основе литературных данных перспективные для последующего исследования объекты. Компьютерное оформление всего графического материала также осуществлено автором диссертации.

Совместно с научным руководителем автором осуществлен выбор направления исследований, сформулирована цель работы и проведено обсуждение и обобщение полученных данных.

Теоретическая часть работы и интерпретация некоторых полученных экспериментальных данных проведены под руководством доктора физико-математических наук, профессора, заведующего кафедрой физики полупроводников ЮФУ Турика А.В.

Сотрудниками НИИ физики ЮФУ, в коллективе которых автор занимается научными исследованиями с 2002 года по настоящее время, осуществлены следующие работы: получен основной массив керамических

образцов (к.х.н. Разумовская О.Н., технологи Тельнова Л.С., Сорокун Т.Н.), проведены рентгеноструктурные исследования и объяснены некоторые полученные результаты (с.н.с. Шилкина Л.А., в.н.с. Захарченко И.Н.), осуществлен микроструктурный анализ образцов (с.н.с. Алешин В.А.), даны консультации по вопросам измерения пьезоэлектрических и поляризационных характеристик (с.н.с. Дудкина С.И., доц. Комаров В.Д., в.н.с. Рыбянец А.Н.). Помощь в выполнении работы оказали студенты и аспиранты ЮФУ – Фоменко Д.С., Ярославцева Е.А., Кравченко О.Ю., Вербенко И.А., Павелко А.А., Юрасов Ю.И.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 219 страницах. В диссертации 100 рисунков, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 153 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 результатов работы и личный вклад автора, раскрыта структура работы, дана краткая характеристика каждой главы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 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.