Размер:
A A A
Цвет: C C C
Изображения Вкл. Выкл.
Обычная версия сайта

Federal Research Center 
"Krasnoyarsk Science Center of the Siberian
Branch of the Russian Academy of Sciences"

 Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»

Federal Research Center 
"Krasnoyarsk Science Center of the Siberian
Branch of the Russian Academy of Sciences"

Лаборатория кристаллофизики

05.06.2018 г.

Экспериментальные и теоретические исследования структуры, физических свойств и механизмов фазовых переходов в сегнетоэлектриках, новых функциональных диэлектрических и родственных материалах.

Основные направления

  • Экспериментальные и теоретические исследования структуры, физических свойств и механизмов фазовых переходов в сегнетоэлектриках и родственных материалах.
  • Новые функциональные диэлектрические материалы.

Наиболее важные результаты исследований

  • Выполнен аналитический обзор особенностей структуры и физических свойств перовскитоподобных кристаллов, принадлежащих к семейству эльпасолита-криолита. В рамках теории групп построена схема возможных структурных искажений, связанных с поворотами октаэдрических ионных групп и смещением сферических катионов. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее часто в галоидных соединениях имеют место сегнетоэластические фазовые переходы, обусловленные поворотами октаэдров на малые углы. Количественный анализ показал возможность удовлетворительного описания этих переходов в рамках термодинамической теории Л.Д. Ландау. Химическое и гидростатическое давления оказывают существенное влияние на температуры и последовательность структурных фазовых превращений. Установлена плодотворность гипотезы о напряженностях межатомных связей для предсказания существования переходов в эльпасолитах с конкретной химической формулой и роли октаэдров в механизме структурных искажений. Показано, что в кристаллах с моноатомными катионами главную роль играет механизм типа смещения, а при повышении температуры фазового перехода возрастает роль ангармонизма колебаний критических ионов. Установлены возможные пути перехода к механизму типа порядок-беспорядок, например, за счет замещения одновалентных сферических катионов на тетраэдрический ион аммония в определенных кристаллографических позициях.
  • kf1.gifВпервые методом адиабатического калориметра выполнены исследования индуцированного электрическим полем фазового перехода в сегнетоэлектрическое состояние классического релаксора PbMg1/3Nb2/3O3. Измерения проводились в режимах охлаждения в поле (FC), нагрева в поле после охлаждения в поле (FHaFC), нагрева без поля после охлаждения в поле (ZFHaFC) (рис. 1). 
    Рис. 1. Аномальные теплоемкости PMN, измеренные в различных режимах вблизи индуцированного полем фазового перехода. 
    Определена температурная зависимость, максимальная величина и характер трансформации при термоциклировании изменения энтропии ΔS (Рис. 2). Небольшая величина ΔS=0.028 R свидетельствует о том, что при переходе в состояние с макроскопической поляризацией объем полярной фазы, существующей при комнатной температуре в отсутствие поля, увеличивается незначительно. Таким образом, индуцированный полем переход связан лишь с упорядочением полярных нанодоменов. Установлена возможность удовлетворительного описания результатов исследований в рамках сферической модели случайных связей – случайных полей.
  • Реализована возможность на базе адиабатического калориметра непосредственного измерения с высокой точностью в широком интервале температур интенсивного электро- и магнетокалорического эффектов. На примере ряда сегнетоэлектриков и ферромагнетиков показана возможность достаточно надежного определения величин этих эффектов путем анализа калориметрических и диэлектрических данных в рамках электрического и магнитного уравнений состояния.

    Впервые выполненный анализ барокалорической эффективности сегнетоэластических, сегнетоэлектрических и ферромагнитных кристаллов показал, что даже при фазовых переходах с небольшими изменениями энтропии сравнительно низкие давления могут инициировать значительный интенсивный калорический эффект. 
    (Михалёва Е.А., Флёров И.Н., Бондарев В.С., Горев М.В., Васильев А.Д., Давыдова Т.Н. ФТТ. – 2011. – Т. 53. - Вып. 3. - С. 478-484. Kartashev A.V., Flerov I.N., Volkov N.V., Sablina K.A. JMMM. – 2010. – v.322.– pp 622-627.)

  • Выполнен неэмпирический расчет динамики решетки и упругих свойств ряда неупорядоченных и упорядоченных твердых растворов PbB'1/2Nb1/2O3, PbB'1/2Ta1/2O3 (B'=Sc, Ga, In, Lu), LaxSr1-xMnO3 и LaxCa1-xMnO3 со структурами типа перовскита и эльпасолита. Определены параметры элементарной ячейки a0, диэлектрические постоянные ε, упругие модули Cij. В рассчитанном фононном спектре высокосимметричной кубической фазы всех рассмотренных соединений найдены неустойчивые моды колебаний кристаллической решетки. В твердых растворах PbB'1/2Nb1/2O3 и PbB'1/2Ta1/2O3 неустойчивость связана с сегнетоэлектрическими искажениями решетки, тогда как в манганитах – с поворотами кислородных октаэдров MnO6. Фазовые переходы в рассматриваемых соединениях исследованы методом Монте – Карло с эффективным гамильтонианом, параметры которого определены из расчета энергий искаженных фаз. Определены частоты неустойчивых мод (ω), температуры фазовых переходов (Тc) и (для сегнетоэлектрических кристаллов) спонтанная поляризация (Ps). Вычислены значения частот колебаний кристаллической решетки BiFeO3 в кубической фазе (Pm-3m) и ромбоэдрической парафазе (R-3c). В сегнетоэлектрической фазе с симметрией R3c вычисленное значение спонтанной поляризации Ps=136 мкКул/см2 хорошо согласуется с экспериментальными данными. Рассчитаны зависимости от давления объема элементарной ячейки, модулей упругости и частот колебаний. Получено, что частота неустойчивой сегнетоэлектрической моды как в кубической (Pm-3m) так и в ромбоэдрической (R-3c) фазах практически не зависит от приложенного давления, в отличие от классических сегнетоэлектриков со структурой перовскита, где сегнетоэлектрическая неустойчивость очень чувствительна к изменению давления. Эта зависимость показана на рисунке 3. Проведен расчет динамики решетки и величин спонтанной поляризации для пленок неупорядоченных твердых растворов PbM1/2Nb1/2O3, PbM1/2Ta1/2O3 (M=Sc, Ga, In, Lu) и для SrTiO3 . Получены зависимости частоты неустойчивой сегнетоэлектрической моды, диэлектрической проницаемости, величины спонтанной поляризации от толщины пленки. Показано, что сегнетоэлектрическая неустойчивость для SrTiO3 и всех растворов, за исключением соединений со скандием присутствует для всех толщин пленки. На рисунке 4 приведена зависимость величины спонтанной поляризации от толщины пленки SrTiO3, из которого видно, что эта величина резко уменьшается с увеличением толщины пленки.

Основные методы

Лаборатория состоит из нескольких специализированных групп:
  • Группа теоретических исследований, занимающаяся развитием теории структурных фазовых переходов, сегнетоэлектрического состояния, первопринципными расчетами свойств как объёмных кристаллов, так и тонких кристаллических пленок.
  • Группа теплофизических исследований. Термодинамический метод исследования позволяет получать надежную информацию о теплоемкости, энтальпии, энтропии, деформации и коэффициентах теплового расширения твердых тел (кристаллов, керамик, порошков, стекол) в зависимости от температуры, давления и напряженности магнитного и электрического полей, в частности, в окрестностях фазовых переходов, а также исследовать электро-, магнето- и барокалорическую эффективность материалов. Природа фазовых переходов устанавливается путем исследования диэлектрической проницаемости, пироэлектрического тока и характера оптического двойникования.
  • Группа оптических исследований занимается изучением оптических свойств материалов (дисперсионная зависимость показателей преломления, температурная зависимость двупреломления, исследование фазовых переходов с помощью поляризационной микроскопии).
  • Группа рентгеноструктурных исследований проводит комплексные работы по первичной характеризации получаемых материалов (рентгенофазовый анализ на порошках), расшифровке и решению структур новых кристаллических соединений (как порошковый, так и монокристальный методы), исследованию структур соединений в различных темпрературных областях при фазовых переходах.
  • Технологическая группа, занимающаяся химическим синтезом исходных соединений и выращиванием кристаллов растворными и расплавными методами.



Share:



Up
Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
РоссияКрасноярскКрасноярский край660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, 50
+7 (391) 290-79-88fic@ksc.krasn.ru55.99178392.765381