Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0022

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0022
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"
Название доклада
Исследование доменной структуры и фазового состава легированных бессвинцовых пьезокерамик на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3
Докладчик
Шур Владимир Яковлевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью проекта является изучение возможности улучшения пьезоэлектрических и электромеханических свойств бессвинцовой пьезокерамики за счет оптимизации параметров сегнетоэлектрической доменной структуры и фазового состава.
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.
Актуальность и новизна исследования
Необходимость уменьшения загрязнения окружающей среды свинцом стимулирует поиск бессвинцовых пьезоэлектрических материалов со свойствами, сравнимыми с цирконатом-титанатом свинца (ЦТС). Повышение электромеханического отклика достигается за счет того, что состав приводят в область полиморфного фазового перехода или морфотропной фазовой границы. К настоящему времени наиболее хорошо изученными и перспективными являются бессвинцовые материалы со структурой перовскита. Модельным висмутовым перовскитом является феррит висмута BiFeO3, сегнетоэлектрик с большим значением спонтанной поляризации и высокой температурой Кюри. Легирование BiFeO3 редкоземельными элементами приводит к возникновению новых фаз и усилению магнитных и сегнетоэлектрических свойств.
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.
Описание исследования

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.

Результаты исследования

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.

Практическая значимость исследования
Разработанные методики и экспериментально выявленные закономерности влияния доменной структуры и фазового состава пьезокерамики на пьезоэлектрические и электромеханические свойства позволят оптимизировать состав и способы синтеза пьезокерамики. Установленная взаимосвязь между концентрацией доменных стенок и диэлектрическими характеристиками позволила выявить вклад проводящих заряженных доменных стенок и выявить механизм их вклада в диэлектрическую проницаемость. Разработанные в результате выполнения проекта бессвинцовые керамические материалы с улучшенными пьезоэлектрическими, электромеханическими и диэлектрическими свойствами могут использоваться в микроэлектромеханических системах, актюаторах и ультразвуковых устройствах.