Автореферат (Получение, структурные и электрофизические исследования новых сегнетоэлектрических и родственных фаз оксидных систем (1-x)Ba(Ti1-yZry)O3·xPbTiO3, (Pb1-xBax)5Ge3O11, Pb3Mn7O15)

На правах рукописиСТЕПАНОВ Александр ВикторовичПОЛУЧЕНИE, СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯНОВЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И РОДСТВЕННЫХ ФАЗ ОКСИДНЫХСИСТЕМ (1-x)Ba(Ti1-yZry)O3·xPbTiO3, (Pb1-xBax)5Ge3O11, Pb3Mn7O15Специальность 05.27.06Технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборовэлектронной техникиАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА - 2018 год2Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА)Научный руководитель: Буш Александр Андреевич – доктор технических наук,директор НИИ материалов твердотельной электроники Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА) Министерства образования и науки РФ.:Официальные оппоненты:Политова Екатерина Дмитриевна - доктор физико-математических наук, профессор, заведующая лабораторией «Лаборатория оксидных материалов» Научно- исследовательского физико-химического института им.

Л.Я. Карпова.Арсеньев Павел Александрович доктор технических наук, профессор кафедры“Физика и технология электротехнических материалов и компонентов (ФТЭМК)” федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет « МЭИ»Ведущая организация: Институт металлургии и материаловеденияимени А.А. Байкова Российской академии наукЗащита состоится «__» _________ 2018 г. в __ часов __ мин. на заседанииДиссертационного совета Д212.131.02 при Московском технологическом университете(МИРЭА) по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, д.

78.Автореферат диссертации размещен на сайте МИРЭА www.mirea.ru.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭААвтореферат разослан «__» ____________ 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.131.02к.ф.-м. н.Фетисов Л.Ю.3Общая характеристика работыАктуальность темы. Оксидные сегнетоэлектрические фазы широко используютсяв электронной технике в качестве конденсаторных, позисторных, пьезоэлектрических, пироэлектрических и других функциональных материалов. Расширение масштабов и областейприменения таких материалов повышает требования к их электрофизическим характеристикам, термостабильности и воспроизводимости свойств, диапазону рабочих температур.

Этовызывает потребность в оптимизации свойств известных сегнетоэлектрических фаз путемвариаций их состава и режимов синтеза, в разработке новых составов сегнетоэлектрическихфаз с улучшенными характеристиками и с разнообразными сочетаниями физикохимических и физических свойств, а также в раскрытии механизмов возникновения особыхдиэлектрических и других свойств в таких фазах. Поэтому важными задачами в областитехнологии материалов электронной техники являются поиск и создание новых сегнетоэлектрических твердых растворов, обладающих улучшенными характеристиками, разработкаметодов выращивания достаточно крупных и качественных монокристаллов сегнетоэлектрических и родственных фаз с перспективными для исследований и применений свойствами.В связи с изложенным тема диссертационной работы, посвященная получениюкерамических и монокристаллических образцов новых сегнетоэлектрических твердых растворов с интересными с научной и прикладной точек зрения свойствами, структурным иэлектрофизическим исследованиям полученных образцов, раскрытию механизмов возникновения в них особых электрофизических свойств, является актуальной как с научной,так и практической точек зрения.

В частности, в работе решаются задачи по повышениюточки Кюри и термостабильности диэлектрических характеристик сегнетокерамики системы Ba(Ti1-yZry)O3, перспективной для создания конденсаторных материалов, диэлектрических антенн и др., по определению границ образования и условий выращивания монокристаллов сегнетоэлектрических твердых растворов (Pb1-xBax)5Ge3O11 проявляющих рекордно высокую пироэлектрическую активность, по получение новых перспективных магнитоэлектрических фаз в виде достаточно крупных и качественных монокристаллов.Исследования по диссертационной работе проводились в рамках выполнения проектов по государственным заданиям Министерства образования и науки РФ в сфере научнойдеятельности (НИР №3.734.2014/K «Получение, структура, свойства и возможности практического применения новых сверхпроводящих, магнитоэлектрических, сегнетоэлектрическихи родственных фаз», 2014 – 2016 годы, проект 3.1099.2017/ПЧ «Структурные, электрофизи-4ческие и магнитные исследования новых металлооксидных фаз с особыми физическимисвойствами», 2017 – 2019 годы), грантов РФФИ 13-02-12416-офи-м2 и 15-02-04647-а по разделу «Сегнетоэлектрики и диэлектрики»; а также выполняемой в НИИ материалов твердотельной электроники МИРЭА НИОКР по инновационному проекту Фонда развития разработок и коммерциализации новых технологий «Сколково» «Разработка антенных микромодулей СВЧ электроники на основе анизотропных композиционных материалов».Цель работы.

Целью настоящей работы являлось получение, изучение структуры, диэлектрических и пироэлектрических свойств новых сегнетоэлектрических и родственных сложнооксидных фаз и твердых растворов на их основе с интересными снаучной и прикладной точек зрения свойствами; определение влияния на свойства таких фаз вариаций химического состава, режимов синтеза, термообработки, поляризации и других технологических факторов.Основными задачами исследований, проводимых для достижения цели, являлись:а) выбор оптимальных методов и технологических режимов синтеза керамическихи монокристаллических образцов, образующихся в оксидных системах BaTiO3–BaZrO3PbTiO3, (Pb,Ba)5Ge3O11, PbO–Mn2O3–O (Pb3Mn7O15) фаз с сегнетоэлектрическими и родственными свойствами на основе физико-химических исследований этих систем;б) синтез монокристаллических и керамических образцов сегнетоэлектрических иродственных фаз и новых твердых растворов на их основе;в) изучение структурных, диэлектрических, пироэлектрических и магнитных свойствполученных образцов, влияния на них различных технологических факторов - вариаций химического состава, метода и режима синтеза, термообработки образцов и др.Объекты исследований.

Основными объектами исследований являлись:1. Сегнетокерамика системы (1-x)Ba(Ti1-yZry)O3·xPbTiO3 - (1-x)BTZ·xPT, 0 ≤ x, y≤ 1. Выбор этой системы обусловлен потребностью повышения термостабильностиэлектрофизических характеристик твердых растворов Ba(Ti1-yZry)O3 для создания диэлектрических антенн СВЧ диапазона, отсутствием сведений о влиянии на свойствадвойной системы (1-x)Ba(Ti1-yZry)O3 добавок PbTiO3.2.

Монокристаллические образцы сегнетоэлектрических твердых растворов (Pb1xBax)5Ge3O11, проявляющие рекордно высокуюпироэлектрическую чувствительность.3. Монокристаллы и керамика магнитоэлектрической фазы Pb3Mn7O15.Научная новизна. В работе получен ряд новых научных результатов:51. Определены условия синтеза и синтезированы керамические образцы новыхтвердых растворов со структурой перовскита в системе (1-x)Ba(Ti1-yZry)O3·xPbTiO3 - (1x)BTZ·xPT, 0 ≤ х, y ≤ 1. Впервые построена фазовая диаграмма этой системы, отражающая изменение фазового состава образцов с их составом. Установлено, что в областяхсоставов, примыкающих к стороне BaTiO3-PbTiO3·и к углу BaZrO3 концентрационноготреугольника BaTiO3-BaZrO3-PbTiO3, твердые растворы имеют соответственно тетрагональную и кубическую симметрию, в промежуточной между ними области составовсосуществуют твердые растворы разной симметрии.2.

Получены новые данные о влиянии вариаций состава твердых растворов (1x)BTZ·xPT на температурно-частотные зависимости их диэлектрических проницаемости εи потерь tgδ, установлено, что рост в образцах содержания Zr вызывает изменение диэлектрических свойств твердых растворов в последовательности: а) обычные сегнетоэлектрические, характерные для BaTiO3 или PbTiO3, б) сегнетоэлектрические с размытым фазовымпереходом, в, г) сегнетоэлектрические-релаксорное и возвратные сегнетоэлектрическиерелаксорные, д) свойства дипольного стекла.

Определены составы, характеризуемые высокими значениями ε, низкими tgδ, достаточно высокой температурной стабильностью ε,перспективные для создания диэлектрических антенн СВЧ диапазона.3. Впервые выявлены и изучены возвратные сегнетоэлектрические-релаксорныесвойства у образцов (1-x)BTZ·xPT составов 0,2≈<y<≈0,5, 0,05≈<x<≈0,6, которые проявляются в том, что температура сегнетоэлектрического перехода лежит выше температур релаксационных максимумов, а не, наоборот, как в обычных сегнетоэлектриках-релаксорах.4.

Определены условия синтеза и концентрационные границы образования сегнетоэлектрических твердых растворов (Pb1-xBax)5Ge3O11 (x<0,12). Методом раствор-расплавнойкристаллизации выращены монокристаллы этих твердых растворов, получены новые данные об их диэлектрических характеристиках – концентрационных зависимостях точки Кюрии характерных температур проявления релаксационных максимумов на зависимостях ε(T),tgδ(T), значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.5. Определены условия раствор-расплавной кристаллизации магнитоэлектрической фазы Pb3Mn7O15, в тиглях из стабилизированного иттрием оксида циркония выращены монокристаллы этой фазы размерами до (1-2)х25х25 мм, которые позволили провести нейтроноструктурный анализ и впервые определить особенности спиновойструктуры этой фазы в ее АФМ состоянии.6Практическая значимость работы.Совокупность экспериментальных результатов диссертационной работы по разработке технологии получения керамических и монокристаллических образцов новых сегнетоэлектрических и родственных фаз, а также результатов исследования их структурных иэлектрофизических характеристик имеет научную и практическую значимость, посколькупозволяют получать образцы новых фаз, перспективных для разработок новых материаловэлектронной техники с улучшенными характеристиками и обеспечения проведения актуальных фундаментальных научных исследований.