ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Вопросы преобразования энергии, ее перехода из одного вида в другой достаточно хорошо разработаны на макроскопическом уровне, в частности, превращения электрической и механической энергии в тепло­вую.

Причины, по которым появляется тот или иной вид потерь энергии в веществе много, но все электрические и механические потери можно разделить на три основные группы [1]: нормальные колебания решетки, взаимодействие между составляющими (зернами и др.) микроструктуры и проводимость. В сегнетоэлектрических материалах в значительной сте­пени проявляется четвертая составляющая потерь, обусловленная движе­нием доменных стенок в процессе переключения в электрических полях. Существенный вклад в диэлектрические потери могут вносить как струк­турные особенности (размер зерен керамических материалов), так и за­мещающие компоненты (атомы или оксидные группы в монокристаллах твердых растворов). Поскольку процессы переключения при использова­нии больших электрических полей могут приводить к энергетическим потерям, проявляющимся в виде значительной генерации тепла (самора- зогрев образца) [2, 3, 4], рассмотрение связи особенностей процессов пе­реключения с температурой саморазогрева для разных типов сегнето­электрических материалов является актуальной задачей, как в научном, так и в прикладном отношении.

Целью работыявлялось выявление связи саморазогрева образцов монокристаллов твердых растворов ниобата бария-кальция Ca₀.₃₂Ba₀.₆₈Nb₂O₆ (CBN32) и пьезокерамики цирконата-титаната свинца Pb₀.₉₅Sr₀.₀₅(Zr₀.₅₃Ti₀.₄₇)O₃ + Nb₂O₅ 1% (ЦТС-19) с процессами переключения в электрических полях.

В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработка метода наблюдения петель диэлектрического гистерезиса с одновременным контролем температуры образца при выдержке в пе­ременных электрических полях разных частот.

2. Разработка метода компьютерной обработки петель диэлектрического гистерезиса для дальнейшего анализа.

3. Получение широкого спектра петель диэлектрического гистерезиса для образцов CBN32 и пьезокерамики ЦТС-19.

4. Проведение аналитического анализа диэлектрических характеристик исследуемых материалов в условиях саморазогрева.

Научная новизна.

Выявлены физические закономерности саморазогрева монокристал­лических твердых растворов ниобата бария кальция и пьезоэлектриче­ской керамики цирконата-титаната свинца в переменных электрических полях.

Установлена связь процессов разогрева образцов сегнетоэлектриче­ских материалов с переключением спонтанной поляризации и зависи­мость температуры саморазогрева как от амплитуды и частоты электри­ческого поля, так и от формы (синусоидальный или меандр) сигнала.

Проведен анализ влияния характеристик переключающего электри­ческого поля и формы сигнала на дисперсию переключаемой поляриза­ции.

Предложен и апробирован способ оценки теплоемкости единицы объема сегнетоэлектрических материалов по величине тепловой энергии, генерируемой образцами в процессе саморазогрева.

Экспериментально показано влияние размера зерен на процессы пе­реключения, протекающие в пьезокерамических материалах на основе цирконата-титаната свинца.

Теоретическая и практическая значимость

Показано существование корреляции между частотными зависимо­стями переключаемой поляризации и температурой саморазогрева.

Установлено, что макроскопические механизмы процессов пере­ключения, приводящие к саморазогреву образцов, не зависят от типа ма­териала.

Продемонстрирована возможность оценки коэффициента теплоем­кости единицы объема сегнетоэлектрических материалов по зависимо­стям тепловой энергии, выделяемой в процессе переключения спонтан­ной поляризации, от скорости саморазогрева образцов.

Разработанный в диссертации алгоритм цифровой обработки рас­трового изображения петель диэлектрического гистерезиса, может быть использован для проведения количественного анализа физических харак­теристик процессов переключения сегнетоэлектрических материалов.

Результаты, полученные в работе, дают новые представления об особенностях процессов переключения в структурно неупорядоченных сегнетоэлектрических материалах.

Методология и методы исследования

В работе использовалась методология комплементарного примене­ния различных методов, включающая комплексные исследования про­цессов переключения спонтанной поляризации методом Сойера-Тауера с одновременным дистанционным контролем температуры с помощью те­пловизора (Testo-875-1); цифровую обработку данных (оцифровка полу­ченной в эксперименте информации с применением программ для работы с графическими (растровыми и векторными) массивами для дальнейшего количественного анализа результатов). Для контроля структурных харак­теристик керамики использовали растровую электронную микроскопию.

Положения, выносимые на защиту

• Впервые экспериментально обнаруженную зависимость саморазогрева образцов монокристаллов CBN32 и керамики ЦТС-19 в процессе фор­мирования петли диэлектрического гистерезиса от параметров пере­ключающего электрического поля.

• Существование критической частоты электрического поля, при кото­рой происходит разогрев образцов сегнетоэлектрических материалов до температуры, достаточной для формовки петли диэлектрического гистерезиса.

• Возможность применения количественных характеристик процессов саморазогрева и петель диэлектрического гистерезиса для оценки ве­личины переключаемого объема и значения коэффициента теплоемко­сти единицы объема образцов сегнетоэлектрических материалов.

Достоверность результатовдиссертации обеспечивается корректной постановкой исследовательских задач; применением современных мето­дов регистрации и обработки экспериментальных результатов; апробаци­ей на международных и всероссийских конференциях; публикациями в рецензируемых изданиях.

Апробация результатов. Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» 2013 (Анапа); XXV Российская конференция по электронной микроскопии 2014 (Черноголовка); Conference on Application of Polar Dielectrics 2014 (Vilnius); International Conference “Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials” (PFM-2014) 2014 (Ekaterinburg); XX Всероссийская

конференция по физике сегнетоэлектриков 2014 (Красноярск); 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2o14 (Riga); VI Международная конференция «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов» 2015 (Москва); Workshop on Phase Transition and Inhomogeneous State in Oxides 2015 (Kazan)

Основное содержание работыопубликовано в 3 статьях во всероссий­ских и зарубежных реферируемых печатных изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 статье в рецензируемом издании.

Личный вклад автора.Настоящая работа выполнялась на кафедрах «Технической физики и инновационных технологий» и прикладной фи­зики Тверского государственного университета. Диссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование рабо­ты, постановка задач и обсуждение полученных результатов. Автором лично выполнены измерения петель диэлектрического гистерезиса, про­ведены расчеты, обработаны полученные результаты.

Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с тематическими планами НИР в рамках проектной части государственного задания Ми­нистерства образования и науки РФ №11.1937-2014/К и №4.1325.2014/К.

Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 144 страницы основного текста, 102 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 133 наименований.