Материал: Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов

УДК 537.312.6

МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ В АМОРФНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНОГРАНУЛИРОВАННЫХ КОМПОЗИТАХ (x)Ni − (1-x)PZT

И.И. Попов, студент гр. ТФ-121, С.А. Гриднев, А.В. Калгин, докторант

Кафедра физики твердого тела

Проведены исследования электрической проводимости на постоянном и переменном токев аморфных тонкопленочных наногранулированных композитах типа ферромаг-

нетик-пьезоэлектрик (x)Ni – (1-x) [Pb0,81Sr0,04(Na0,5Bi0,5)0,15] [(Zr0,575Ti0,425)]O3 (далее (x)Ni − (1-x)PZT) доперколяционного состава, полученных методом ионно-лучевого распыления мишени на ситалловую подложку. Анализ полученных результатов в рамках различных моделей транспорта носителей заряда позволил установить механизмы электропроводности в интервале температур от 77 до 375 К.

Электропроводность на постоянном токе σ композитов с составами ниже порога перколяции в интервале температур от 77 до 188 К подчиняется закону exp( T 1/4), что свидетельствует о реализации прыжковой проводимости электронов с переменной длиной прыжкапо локализованным состояниям в диэлектрической матрице PZT.

В интервале температур 188 – 286 К выполняется закон T n , который связывается с неупругим резонансным туннелированием электронов по отдельным проводящим каналам от одной гранулы к другой через локализованные состояния.

Спрямление температурных зависимостей электропроводности в координатах ln(σ/σ0) – (1/T-1/2) при температурах 287 – 299 К характерно для прыжкового механизма

проводимости, обусловленного термически активированными прыжками носителей заряда между соседними локализованными состояниями.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по гранту № 16-02-00072.

6

УДК 53.043

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ГРАНУЛ И ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В МАГНИТНОЙ КОМПОНЕНТЕ НА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

В ДВУХСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТАХ Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – PbZr0,53Ti0,47O3

А.В. Калгин, докторант, С.А. Гриднев, И.И. Попов, студент гр. ТФ-121

Кафедра физики твердого тела

В интервале частот переменного магнитного поля 100-200 кГц при напряженности 5 Э и температуре 20 °C изучен прямой магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухслойных композитах на основе ферромагнетика Tb0,12Dy0,2Fe0,68 (TDF) и пьезоэлектрика PbZr0,53Ti0,47O3 (PZT) без подачи на них смещающего магнитного поля. Изучение прямого МЭ эффекта заключалось в регистрации электрического напряжения U, генерируемого пьезоэлектрическим слоем образца композита при его внесении в переменное магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца. При этом переменное магнитное поле вызывало деформации ферромагнитного слоя, которые в силу механической связи между ферромагнитным и пьезоэлектрическим слоями передавались пьезоэлектрическому слою и приводили вследствие прямого пьезоэффекта к генерации связанных зарядов и, соответственно, к напряжению на металлизированных поверхностях образца композита.

Образцы двухслойных композитов Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – PbZr0,53Ti0,47O3 (TDF – PZT) получали нанесением ферромагнитных слоев из тщательно перемешанных гранул терфенола TDF определенного размера и эпоксидного компаунда на предварительно поляризованные по толщине в промышленных условиях пьезокерамические пластинки PZT с размерами 8 х 6 х 0,7 мм3. Гранулы терфенола имели средние размеры z от 40 до 200 мкм, а их массовая доля в ферромагнитных слоях составляла 0,82. Слои TDF склеивались со слоями PZT, полимеризовались при комнатной температуре в течение 24 ч, а затем шлифовальным листом доводились до размеров 6 х 6 х 0,9 мм3.

Кривая напряжения U как функция частоты переменного магнитного поля для композитов TDF – PZT проходит через два максимума, первый из которых приходится на резонансную частоту 2-й гармоники изгибных колебаний по длине образца fр1, а второй – на резонансную частоту 1-й гармоники продольных колебаний по длине образца fр2. В свою очередь на частотах fр1 и fр2 зависимости U(z) имеют максимум, который соответствует z = 71 мкм. Максимум на зависимости U(z), по-видимому, обусловлен конкуренцией двух факторов. С одной стороны, уменьшение среднего размера гранул в ферромагнитном слое приводит к увеличению общей площади соприкосновения между гранулами и, соответственно, к более эффективной передаче деформаций в ферромагнитном слое. С другой стороны, маленькие гранулы TDF в ферромагнитном слое имеют большую общую площадь поверхности, чем большие гранулы, а значит, содержат на поверхности больше дефектов, которые ухудшают передачу деформаций.

Если в ферромагнитных слоях композитов TDF – PZT создать градиент концентрации гранул TDF вдоль длины образцов путем изготовления ферромагнитных слоев, в которых половина слоев по длине содержит магнитные гранулы определенного размера с массовой долей 0,82, а вторая половина – гранулы того же размера с массовой долей 0,7, то на частотах fр1 и fр2 магнитоэлектрический эффект в композитах возрастает. Дело в том, что при таком градиенте концентрации гранул TDF возникает магнитное поле смещения, направленное перпендикулярно вектору поляризации в слое PZT. Это поле увеличивает деформации ферромагнитных слоев, вызываемые переменным магнитным полем и, как следствие, МЭ отклик в композитах относительно МЭ отклика в композитах TDF – PZT, в которых гранулы TDF имеют случайное распределение по объему ферромагнитных слоев.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 14-12-

00583.

7

УДК 537.621: 311.5

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОМПОЗИТЕ 0,85 BiFeO3-0,15 MgFe2O4

П.В. Кулаков, студент гр. ТФ-131, А.С. Шпортенко, студент гр. ТФ-131, М.В. Хахленков, студент гр. ПФм-141, С.А. Гриднев, А.А. Камынин

Кафедра физики твердого тела

близко к энергии активации диффузии кислородных вакансий в структурах типа перовскита. Из представленной на рис. 2 зависимости ε''(ε') видно, что диаграмма Коула-Коула имеет вид дуги окружности, центр которой смещен вниз по оси ординат. Обычно это бывает в тех случаях, когда процесс не является монорелаксационным, а имеет место спектр времен релаксаций. Оценка степени гетерогенности дает α ≈ 0,31. Чтобы подтвердить предположение о связи изучаемого релаксационного процесса с вакансиями по кислороду был проведен отжиг образцов в восстановительной атмосфере водорода при температуре 350 оС, и измерена температурная зависимость tgδ на частоте 1 МГц (кривая 7 на рис. 1). Видно, что высота пика tgδ после отжига не изменилась, а пик сместился в сторону более высоких температур примерно на ~ 100 0С, поэтому можно полагать, что релаксационный процесс связан с вакансиями по кислороду.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 16-02-00072 и № 16-42-360412).

8

УДК 538.953

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ Ar НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ZrO2, ПОЛУЧЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ ВЧ-РАСПЫЛЕНИЕМ КЕРАМИЧЕСКОЙ МИШЕНИ

М.С. Филатов, аспирант, О.В. Стогней

Кафедра физики твердого тела

При формировании защитных покрытий из оксида циркония, как правило, стремятся получить и застабилизировать тетрагональную модификацию диоксида, поскольку именно она обеспечивает высокие механические свойства материала, испытывая полиморфное превращение при механических напряжениях. В данной работе для получения стабилизированных покрытий использовалась керамическая мишень ZrO2 содержащая 3,7 вес. % Hf и 1.2 вес. % Y. Такое содержание стабилизирующих добавок несколько ниже, чем оптимальное значение стабилизирующей примеси, поэтому структура керамической мишени оказалась двухфазной, содержащей как моноклинную модификацию диоксида циркония (m), так и тетрагональную (t), см. рис. 1.

Поскольку магнетронное распыление мишени может эффективно осуществляться в достаточно широком диапазоне давлений рабочего газа, было проведено исследование влияния давления аргона на структуру напыляемых оксидных покрытий при постоянном количестве стабилизирующей примеси. На рис. 2 показаны участки рентгенограмм покрытий, полученных в атмосфере чистого аргона на подложках, расположенных на расстоянии 100 мм от магнетрона, что обеспечивало нагрев подложки до 400 оС. Приведен интервал углов, в котором наблюдаются пики, наиболее характерные как для моноклинной, так и для тетрагональной модификаций. В обоих случаях структура покрытий двухфазная, однако, в зависимости от давления аргона соотношение фаз (t и m) сильно различается. В том случае, когда давление аргона составляло 2 Па (рис. 2 а), преобладающей была моноклинная фаза (m – 86 %, t – 14 %). Увеличение давления аргона до 2,5 Па (при неизменности прочих параметров) приводит к тому, что объемная доля стабилизированной тетрагональной фазы в покрытии достигает 93 %. Таким образом, увеличение давления рабочего газа приводит к тому, что в покрытии, при относительно невысокой температуре, формируется высокотемпературная фаза, сохраняющаяся при охлаждении до комнатной температуры. В обоих случаях формировались наноструктурированные покрытия со средним размером кристаллитов 70 нм.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-42-360778 р_а.

9

УДК 538.953

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ Ni-ZrO2 МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ СОСТАВНОЙ МИШЕНИ

С. А. Победа, студент группы КМ-121, М.С. Филатов, аспирант, О.В. Стогней

Кафедра физики твердого тела

Для улучшения эффективности работы термобарьерного покрытия на основе ZrO2, необходимо улучшать его термостойкость и адгезию. Улучшения термостойкости можно добиться путем четкого контроля стабилизации высокотемпературных фаз диоксида циркония. С другой стороны, введение в оксид металлической фазы и формирование композита металл-керамика может привести к значительному улучшению адгезии покрытия к подложке, а также повысить его термостойкость. В данной работе для получения композитов была использована составная мишень из металла (Ni) и керамических навесок из стабилизированного ZrO2. Ионно-лучевым распылением составной мишени в атмосфере чистого аргона и в смешанной атмосфере были получены композиты в широком интервале составов. На рисунке представлены рентгенограммы от полученных образцов.

Рентгеновские дифрактограммы, полученные от пленок Nix(ZrO2)100-x, нанесенных на стеклянную подложку методом ионно-лучевого напыления:

а- напыления в атмосфере Ar на холодную подложку; б - напыления в Ar + O2 на холодную подложку;

в- напыления в Ar и нагревом подложек до 750 К; г - напыления в Ar + O2 и нагревом подложек до 750 К

Как следует из приведенных данных, на ненагреваемых подложек формируется аморфная структура оксида циркония. В случае нагрева подложек до температуры 750 К на рентгенограммах появляются пики принадлежащие тетрагональной фазе диоксида циркония. С ростом концентрации металлической фазы, на рентгенограммах появляются пики, принадлежащие чистому никелю, причем отсутствие соединений никеля с цирконием говорит о формировании композита. При добавлении кислорода в аргон с ростом содержания металлической фазы наблюдается формирование не только диоксида циркония, но и оксида никеля.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-42-360778 р_а.

10