Прислать материал
14.587.21.0022
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Изготовление образцов легированных бессвинцовых пьезокерамик: BiFeO3, с различной концентрацией Sm, и (K,Na)NbO3 с различной концентрацией Sr.
2. Проведение интегральных измерений фазового состава и размеров зерен с использованием рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния.
3. Разработка методик измерения и анализа параметров исходной доменной структуры и локального переключения поляризации.
4. Разработка методики определения фазового состава и ориентации зерен в керамике по результатам измерения локальных пьезоэлектрических свойств.
5. Исследование влияния исходной доменной структуры, а также фазового состава и распределения фаз на пьезоэлектрические и электромеханические свойства пьезокерамик различных составов, полученных при различных условиях синтеза.
6. Разработка рекомендаций по использованию зондов СЗМ с оптимальными параметрами для исследования доменной структуры и локального переключения поляризации.
7. Разработка рекомендаций по использованию полученных результатов для оптимизации состава и параметров синтеза бессвинцовых керамических материалов для улучшения их пьезоэлектрических и электромеханических характеристик.
В настоящее время твердый раствор ниобата калия – ниобата натрия, KNbO3–NaNbO3 (KNN), рассматривается как еще один многообещающий бессвинцовый материал. Интенсивно исследуется KNN, модифицированный LiTaO3 и LiSbO3. Установлено, что KNN с 4-5% моль LiTaO3 имеет морфотропную фазовую границу, что приводит к значительному усилению пьезоэлектрических свойств.
Впервые проводимое изучение взаимосвязей между доменной структурой и функциональными свойствами бессвинцовых пьезоэлектрических керамик позволяет дополнительно существенно улучшить их характеристики за счёт методов фазовой инженерии и инженерии доменных стенок.
В рамках проекта, на основании обзора литературы, были выбраны керамики KNN, легированные Sr2+, и BiFeO3, легированные Sm3+, обладающими высокими значениями пьезоэлектрических и диэлектрических коэффициентов. Анализ литературы позволил сформулировать требования к составу и параметрам синтеза, обеспечивающим актуальность исследуемых материалов для изготовления бессвинцовой керамики (см. раздел 2).
Синтез материалов и исследования интегральных пьезоэлектрических свойств проводились в Институте Йозефа Стефана, Любляна, Словения.
Для исследования морфологии зерен, доменной структуры, распределения фаз и локального переключения поляризации использована сканирующая зондовая микроскопия и, в частности, силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика (СМПО). Режим СМПО основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, приводящем к деформации поверхности в электрическом поле, причем знак пьезоэлектрических коэффициентов определяется направлением спонтанной поляризации.
Для выполнения проекта разработано несколько методик исследования:
а) Методика подготовки образцов легированных бессвинцовых пьезокерамик на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3 для проведения исследований методом сканирующей зондовой микроскопии. Методика представляют собой пошаговую процедуру обработки синтезированной керамики к исследованиям методом силовой микроскопии пьезоотклика. Тщательная полировка позволяет добиться низкой шероховатости поверхности (Ra ~1-4 нм) и исключить паразитный вклад топографии образцов в измеряемые локальные пьезоэлектрические характеристики.
б) Методика измерения и анализа параметров исходной доменной структуры и локального переключения поляризации в легированных бессвинцовых пьезокерамиках на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3. Методика содержит процедуру анализа изображений СМПО для выявления геометрических характеристик исходной доменной структуры бессвинцовых пьезокерамик (эффективный размер, средние периоды и направления периодических доменов), необходимых для оценки вклада доменных границ в пьезоэлектрические свойства. Методика содержит также процедуру проведения локального переключения поляризации (Switching spectroscopy PFM), позволяющую исследовать пространственное распределение локальных пороговых полей, коэрцитивных полей, полей смещения и работы переключения поляризации.
в) Методика разделения полярной и неполярной/антиполярной фаз в легированных бессвинцовых пьезокерамиках на основе BiFeO3 по результатам измерения локальных пьезоэлектрических свойств. Методика содержит описание процедуры измерения распределения пьезоэлектрических свойств по поверхности керамики и дальнейшего анализа результатов с целью выявления областей без пьезоэлектрического сигнала, которые интерпретируются, как области неполярной/антиполярной фазы. Методика позволяет оценить доли полярной и неполярной/антиполярной фаз (полученные данные коррелируют с данными рентгеновской дифракции) и имеет принципиальное значение для понимания объёмных свойств керамик вблизи морфотропной фазовой границы, в которых сосуществуют различные фазы.
Применение комплекса разработанных методик позволяет изучить доменную структуру в отдельных зернах, а также выявить пьезоэлектрически активную и неактивную фазы в зёрнах. В совокупности с интегральными методами измерения эти результаты позволяют сделать выводы о влиянии доменной структуры и фазового состава на пьезоэлектрические и электромеханические характеристики, что будет использовано для оптимизации состава и способов синтеза пьезокерамики.
Для выполнения этих работ использовано аналитическое и технологическое оборудование Уральского ЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ, Екатеринбург:
- сканирующий зондовый микроскоп Asylum Research MFP-3D, США для измерения локальных пьезоэлектрических свойств методом СМПО;
- сканирующий зондовый микроскоп Ntegra Aura, НТ-МДТ, Россия для измерения локальных пьезоэлектрических свойств методом СМПО;
- станок для прецизионной шлифовки и полировки PM5, Logitech, Великобритания для подготовки образцов.
Основные результаты выполнения проекта:
1.Методика подготовки образцов пьезокерамики для проведения исследований методами сканирующей зондовой микроскопии.
2.Методика проведения измерений и анализа сегнетоэлектрической доменной структуры бессвинцовых пьезокерамик.
3.Закономерности влияния доменной структуры зерен на пьезоэлектрические и электромеханические свойства пьезокерамики.
4.Методика разделения фаз и определения ориентации зерен в пьезокерамике с помощью измерения локальных пьезоэлектрических свойств.
5.Закономерности влияния фазового состава зерен и распределения фаз объеме на пьезоэлектрические и электромеханические свойства пьезокерамики.
6.Рекомендации по использованию зондов для сканирующей зондовой микроскопии с оптимальными значениями резонансных частот, жесткости и покрытиями рабочей поверхности.
7.Рекомендации по оптимизации состава и параметров синтеза бессвинцовых пьезокерамических материалов для улучшения пьезоэлектрических и электромеханических характеристик пьезокерамики.