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.
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 имени 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. 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 России и нового проекта РНФ «Ротационные искажения в многоподрешеточных кристаллах: дизайн функциональных материалов с управляемыми физическими свойствами», — поделился Михаил Таланов.