CC BY
211. Патент № 194 255. «Устройство вывода тралов для сбора космического мусора малых размеров» // Д.В. Фомин, А.Е. Гладков, А.А. Комарова, А.С. Кизима, В.А. Скрипаленко. Опубликовано: 04.12.2019. Бюл. № 34.
2. Мубаракшин, И.Р. Электромагнитное поле соленоида // Физическое образование в вузах. - 2017. - Т. 23, №3. -С. 46-52.
3. Безродных, И.П., Тютнев, А.П., Семёнов, В.Т. Радиационные эффекты в космосе. Часть 3. Влияние ионизирующего излучения на изделия электронной техники. - М.: АО «Корпорация «ВНИИЭМ», 2017. - 64 с.
УДК 537.226
С.А. Жежель, А.В. Сахненко, И.А. Голубева, О.В. Зотова
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МУЛЬТИФЕРРОИКА ОКСИДА МЕДИ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА ТИТАНАТА БАРИЯ
Представлены результаты исследования композитов (СиО)1_х/(ВаТЮ3)х (х = 0,1 и 0,2). Показано, что в исследуемых композитах наблюдается значительное размытие максимума в' и его смещение в сторону более высоких температур по сравнению с чистым оксидом меди, величина этого смещения зависит от х. Значения диэлектрической проницаемости композита увеличиваются на порядок по сравнению с чистым СиО и также зависят от объемной доли включений.
Ключевые слова: мультиферроик, сегнетоэлектрик, композит, диэлектрическая проницаемость, сегнетоэлектрические фазовые переходы, оксид меди, титанат бария.
RESEARCH OF THE DIELECTRIC PROPERTIES OF A COMPOSITE BASED ON THE MULTIFERROIC OF COPPER OXIDE AND FERROELECTRIC BARIUM TITANATE
The results of the study of (CuO) i.x/(Ba ТЮ3)Х composites (x = 0,1 and 0,2) are presented. It was shown that, in the studied composites, a significant smearing of the maximum sf and its shift toward higher temperatures in comparison with pure copper oxide are observed, the magnitude of this shift depends on x. The values of the dielectric constant of the composite increase by an order of magnitude compared to pure CuO and also depend on the volume fraction of inclusions.
Key words: multiferroic, ferroelectric, composite, permittivity, ferroelectric phase transitions, copper oxide, barium titanate.
DOI: 10/22250/jasu.l3
Введение
На сегодняшний день существует значительный интерес к исследованию свойств мультифер-роиков, которые обладают двумя типами упорядочения - ферромагнитным и сегнетоэлектрическим. Это связано с широким спектром их практического применения в качестве запоминающих устройств с множественными состояниями, в которых данные хранятся в виде электрической и магнитной поляризации [1-3]. Исследования свойств мультиферроиков связаны в первую очередь с изучением
классического магнитоэлектрического механизма вследствие взаимодействия сегнетоэлектрического и магнитного параметров порядка [4, 5]. Также имеется ряд исследований, посвященных механизму неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия [6], учет которого важен при наличии магнитной неоднородности. С другой стороны, все более актуальной становится проблема разработки и исследования активных материалов, которыми можно управлять с помощью внешних воздействий, включать их в состав различных гетерогенных структур, в частности в композиции с сегнетоэлектри-ками. Например, в работе [7] исследовались электрические свойства композита (BaTi03)x/(Cu0)i.x и было показано, что при определенных размерах образцов и частных интервалов наблюдается резонанс, соответствующий условию равенства емкостной и индуктивной проводимостей. Такое явление может быть использовано для создания твердотельных фильтров
В данной работе приводятся результаты исследования диэлектрических характеристик композита на основе мультиферроика СиО и сегнетоэлектрика ВаТЮ3 в температурном диапазоне, охватывающем сегнетоэлектрическое упорядочение оксида меди.
Образцы и эксперимент
Оксид меди является мультиферроиком (CuO) II типа, в котором сегнетоэлектрическое упорядочение - следствие существования магнитного упорядочения. СиО имеет моноклинную кристаллическую структуру (пространственная группа СИ с). Каждый атом меди находится в центре симметрии и окружен четырьмя атомами кислорода, в результате чего формируется плоскость Cu04. Ссегнетоэлектрическое состояние оксида меди существует в температурном интервале между TN] = 213 К и Тдг2 - 230 К со спонтанной поляризацией Ps, направленной вдоль кристаллографической оси Ъ [8]. Величина Ps составляет порядка 10"2 мкКл/см2, что сопоставимо с наиболее известными индуцированными мультиферроиками. Также СиО является полупроводником с шириной запрещенной зоны Eg= 1,45 эВ (при Т=2 90 К).
Для сегнетоэлектрика титаната бария (ВаТЮ3) характерно наличие трех фазовых переходов типа смещения. Выше точки Кюри (393 К) ВаТЮ3 обладает кубической кристаллической структурой типа перовскита, относящейся к пространственной группе РшЗш. При температуре 393 К форма ячеек скачкообразно искажается и возникает спонтанная поляризация, величина которой плавно нарастает от Ps =18мкКл/см2 в точке Кюри до ~26 мкКл/см2 при комнатной температуре. При понижении температуры ниже 278 К ВаТЮ3 происходит второй фазовый переход , сопровождающийся сменой симметрии кристалла из тетрагональной класса P4mm в ромбическую. При дальнейшем охлаждении титанат бария испытывает еще один фазовый переход (-176 К), где симметрия кристаллической решетки меняется с ромбической на ромбоэдрическую [9].
Для получения композитов (Cu0)i_x/(BaTi03)x (х - объемная доля компонента в композите) использовались порошки химически чистых СиО и ВаТЮ3, которые тщательно перемешивались в определенных пропорциях и прессовались при давлении 6000 - 7000 кг/см2, после чего спекались при температуре 1523 К. Образцы имели форму таблеток диаметром 12 мм и толщиной 1-2 мм. В качестве электродов использовалась индий-галлиевая паста.
Для измерения диэлектрической проницаемости 8 использовался широкополосный спектрометр Novocontrol в частотном диапазоне 0,1 Гц - 10 МГц и температурном интервале от 273 К до 473 К. Измерения проводились в режиме нагрев-охлаждение с точностью до 0.01 градуса. Скорость изменения температуры составляла 1 градус в минуту.
Результаты и обсуждение
В ходе исследований использовались образцы композита (Cu0)i_x/(BaTi03)x с х = 0,1 и 0,2. На температурно-частотной зависимости диэлектрических свойств композита (Cu0)i_x/(BaTi03)x при х=0,1 (рис. 1) отмечается существенная низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости.
Помимо этого, наблюдается зависимость температуры максимума диэлектрической проницаемости от частоты.
6000 5000 4000
"со
3000 2000 1000
Рис. 1. Температурно-частотная зависимость г' для образца (СиО)оУ(ВаТЮ3)од при нагреве.
Как следует из графиков на рис. 2, кривые охлаждения и нагрева диэлектрической проницаемости полностью совпадают на всех представленных частотах. Также наблюдается значительное размытие максимума г' и его смещение в сторону более высоких температур по сравнению с чистым оксидом меди. И как уже было отмечено, температура максимума меняется в зависимости от частоты. Значения диэлектрической проницаемости композита увеличиваются на порядок по сравнению с чистым СиО.
6000 П
5000 4000 w 3000 -2000 1000 0
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость для образца (СиО)оУ(ВаТЮз)од на частотах: 1 -635 Гц; 2-70 кГц; 3-3 МГц (светлые маркеры - охлаждение, темные маркеры - нагрев).
Для проверки влияния объемной доли частиц включений на диэлектрические свойства и температурный интервал существования сегнетоэлектрического состояния композита (Cu0)i_x/(BaTi03)x нами был исследован образец сх = 0,2. Как показали проведенные исследования (рис. 3), увеличение объемной доли включений частиц титаната бария в композите приводит к еще большему смещению максимума диэлектрической проницаемости в сторону более высоких температур. Помимо этого, увеличение х влияет на значения диэлектрической проницаемости композита в сторону повышения этих значений.
10000 П
9000 8000 7000 6000 w 5000 4000 3000 2000 1000 0--
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
Т, К
Рис. 3. Температурная зависимость s' для образца (Cu0)i_x/(BaTi03)x на частоте 635 Гц: 1) х = 0,2;
2) х = 0,1 (светлые маркеры - охлаждение, темные маркеры - нагрев).
Для объяснения частотной зависимости необходимо рассматривать все поляризационные процессы, происходящие в сегнетоэлектриках. На частотах 0.1 - 50 Гц основной вклад в диэлектрическую проницаемость дает доменная поляризация и поляризация Максвелл - Вагнера. С ростом частоты вклад этих механизмов быстро убывает, что приводит к низкочастотной дисперсии.
Для понимания причины повышения температуры фазового перехода СиО в присутствии спонтанно поляризованных частиц BaTi03, как было показано в работе [10],в разложении свободной энергии в соответствии с теорией Ландау, необходимо учесть дополнительный вклад, обусловленный электрическим взаимодействием дипольных частиц ВаТЮ3 с окружающей матрицей СиО и называемый энергией диполь-дипольного взаимодействия.
В высокополяризуемых матрицах [11] появляется дополнительное взаимодействие между ди-польными частицами в диэлектрике, обусловленное тем, что каждая из дипольных частиц поляризует матрицу, и эта наводимая диполями поляризация воздействует на соседние частицы. Таким образом, температура фазового перехода системы связанных частиц То по сравнению с температурой фазового перехода в изотропных образцах Т0 будет определяться соотношением:
а,
1 Ч ч *
0
Если предположить, что дипольные моменты частиц СиО ориентированы так, чтобы скомпенсировать поле частиц ВаТЮ3, тогда энергия диполь-дипольного взаимодействия Т7^ > 0 и температура фазового перехода возрастают за счет того, что переориентация каждого диполя затруднена, так как для этого необходимо преодолеть дополнительный потенциальный барьер, образованный ди-польным моментом частиц ВаТЮ3. Чем меньше расстояние между частицами включений (при увеличении объемной доли), тем больше величина потенциального барьера, и, следовательно, при более высоких температурах присутствуют полярные области.
Заключение
Таким образом, в работе представлены результаты исследования композитов (СиО)1_х/(ВаТЮ3)х ( х = 0,1 и 0,2). Показано, что в этих композитах наблюдается значительное размы-
тие максимума г' и его смещение в сторону более высоких температур по сравнению с чистым оксидом меди, величина такого смещения зависит от х. Значения диэлектрической проницаемости композита увеличиваются на порядок по сравнению с чистым СиО и также зависят от объемной доли включений.
1. Струков, Б.А., Лебедев, А.И. Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд / пер. с англ. под ред. K.M. Рабе, Ч.Г. Ана, Ж.-М. Трискона. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 440 с.
2. Wang, K.F. Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders / K.F. Wang, J.M. Liu, Z.F. Ren // Adv. Phys. - 2009. - V. 58. - P.321-448.
3. Ma, J. Recent progress in multiferroic magnetoelectric composites: from bulk to thin films / J. Ma, J. Hu, Z. Li, C.-W. Nan // Adv. Mater. - 2011. - V. 23. - P. 1062-1087.
4. Смоленский, Г.А. Сегнетомагнетики / Г.А. Смоленский, И.Е. Чупис // УФН. - 1982. - Т. 137, № 3. -С. 415-448.
5. Белоус, А.Г. Мультиферроики: синтез, структура и свойства / А.Г. Белоус, О.И. Вьюнов // Укр. хим. журн. - 2012. - Т.78, № 7. - С. 41-70.
6. Звездин, А.К., Пятаков, А.П. Неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие в мультиферроиках и вызванные им новые физические эффекты // УФН. - 2009. - Т. 179. - С. 897-904.
7. Антонов, A.A. Генерация гармоник в системах с электрическим и магнитным упорядочением / A.A. Антонов, C.B. Барышников, Ю.А. Долгова, А.Ю. Милинский // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: материалы XIV региональной научной конференции, Хабаровск, 22-24 сентября 2016 г. / под ред. А. И. Мазура. - Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2016. - С. 153-156.
8. Kimura, Т. Cupric oxide as an induced-multiferroic with high-Tc / T. Kimura, Y. Sekio, H. Nakamura, T. Siegrist, A.P. Ramirez // Nature Mater. - 2008. - V. 7. - P. 291-293.
9. Лайнс, M. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А. Гласс / пер. с англ.; под ред. В.В. Леманова, Г.А. Смоленского. - М: Мир, 1981. - 736 с.
10. Стукова, Е.В. Роль диполь-дипольного взаимодействия в сегнетоэлектрических композитах / Е.В. Сту-кова, Ю.А. Шацкая, C.B. Барышников // Научно-технические ведомости СПбГУ, 2010. - №1. - С. 36-41.
11. Вугмейстер, Б.Е. Особенности кооперативного поведения параэлектрических дефектов в сильно поляризуемых кристаллах / Б.Е. Вугмейстер, М.Д. Глинчук // ЖЭТФ. - 1980. - Т. 79, вып. 3. - С. 947-952.
