Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование самоорганизованных нанонеоднородных диэлектрических и мультифункциональных материалов.

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Вахрушев Сергей Борисович

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 01.12.2009
Разработаны и протестированы методы анализа мезоскопической структуры и релаксационной динамики на основе когерентного рассеяния синхротронного излучения.
Разработана и экспериментально проверена методика исследования фононных дисперсионных кривых в тонких пленках.
Выполнено математическое моделирование трехосного нейтронного спектрометра для его последующей модернизации.
Разработан и изготовлен фокусирующий кристаллический монохроматор.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Наименование разрабатываемой продукции
Исследование массивных материалов
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции.
2.1. На втором этапе были проведены исследования микро- и мезоскопической сруктуры и релаксационной динамики самоорганизованных объемных монокристаллических материалов. В частности:
Были изучены процессы возникновения полярных нанообластей и их последующей трансформации в нанодомены в магнониобате – титанате свинца Pb(Mg1/3Nb2/3)0.9Ti0.1O3 (PMNPT10). С этой целью изучалась температурная эволюция брэгговского и диффузного рассеяния когерентного рентгеновского (синхротронного) рассеяния. В результате было обнаружено, что ниже температуры Бёрнса образуется регулярная система полярных нанообластей с субмикронными расстояниями между ними. По мере приближения к температуре фазового перехода (Tc≈260 K) нарастают флуктуации во всем объеме кристалла и в окрестности перехода происходит эффективная изотропизация системы. Ниже температуры перехода происходит разбиение кристалла на нанодомены, проявляющиеся в брэгговском рассеянии.
Наряду с изучением эволюции статической мезоструктуры PMNPT10, была исследована релаксационная динамика полярных нанообластей и нанодоменов. Измерения проводились методом рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии. Первые указания на возникновение медленных релаксационных процессов были обнаружены уже выше Tc. Явно медленная релаксационная динамика проявилась в нанодоменном состоянии. Было обнаружено, что временная корреляционная функция демонстрирует неэкспоненциальный распад. В приближении растянутого экспоненциального (stretched exponential) распада при температуре на 20 градусов ниже Tc характерное время релаксации оказывается порядка 104 с.
Нами была исследована магнитная структура смешанного мультиферроика Tb0.95Bi0.05MnO3 (TBMO). Была использована комбинация методов нейтронной дифракции и магнитного рассеяния синхротронного излучения. В области температур 20 K
С целью определения характера критической динамики бессвинцового пьезоэлектрика K(Li)NaNbO3 (KNN). Были проведены измерения неупругого рассеяния нейтронов и неупругого рассеяния синхротронного излучения. Явного смягчения мод обнаружено не было. Наряду с этим при тщательном анализе было показано, что интенсивность рассеяния на низшей ТО моде слабо растет с понижением температуры, что указывает на определенное понижение ее частоты.
Для дальнейшего ответа на вопрос о характере микроскопической перестройки структуры KNN были проведены измерения диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Аналогично чистому KNbO3. В кубической фазе был идентифицирован набор светящихся плоскостей перпендикулярных направлениям типа {100}. При переходе в тетрагональную фазу одно из семейств (перпендикулярное оси Z тетрагональной фазы) исчезало. Существенное отличие от чистого ниобата калия было обнаружено в области перехода в орторомбическую фазу вблизи морфотропной фазовой границы. Исчезнувшее семейство плоскостей рассеяния восстанавливалось, а исчезали 2 других. Такое поведение никогда ранее в перовскитах не наблюдалось и опровергает концепцию плавного вращения поляризации.
В рамках внебюджетного финансирования нами был исследован процесс формирования нанодоменной структуры в одноосных релаксорах Sr1-xBaxNb2O6 (SBN). Было обнаружено, субмикронная нанодоменная структура формируется ниже Tc. Однако уже выше этой температуры в кристалле присутствуют регулярные субмикронные неоднородности, которые, по-видимому, могут быть объяснены возникновением химического порядка.
2.2. Все полученные результаты являются новыми. В частности метод диффузного рассеяния когерентного рентгеновского излучения ранее для изучения сегнетоэлектриков не применялся. Нам впервые удалось обнаружить наличие системы регулярно распределенных в кристалле полярных нанообластей при температурах намного выше Tc. Впервые также обнаружена критическая изотропизация релаксоров в области фазового перехода. Используя метод рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии, впервые в релаксорах удалось обнаружить наличие долговременной релаксации в отсутствие внешних полей. По видимому, наиболее новым и принципиальным является результат исследования KNN. Это первый случай в перовскитах, когда экспериментально наблюдается ситуация с исчезновением возникшего упорядочения вдоль одной оси и заменой его дальним порядком вдоль двух других (хотя теоретически такая ситуация безусловно разрешена).
2.3. Особенностью подхода является использование наиболее современных существующих методик и работа в международных коллективах (при этом постановка задачи всегда оставалась Российской). Студенты и аспиранты, участвующие в выполнении данного проекта непосредственно проводили эксперименты в ведущих нейтронных и синхротронных центрах мира. Другой особенностью подхода является нацеленность на совместное использование микро- (реализованы на данном этапе) и макроскопических (будет реализовано в дальнейшем) методик
2.4. Объекты интеллектуальной собственности на отчетном периоде не создавались.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Исследуемые материалы находят широкое практическое применение (PMNPT10, как электрострикционный безгистерезисный материал, SBN – как электрооптический кристалл, а система KNN является наиболее перспективной как основа для бессвинцовых пьезоэлектриков). Полученные при исследовании этих материалов результаты дают основу для целенаправленной модификации их свойств и создания на основе изученных систем новых материалов с заранее заданными свойствами.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Результаты НИР непосредственно внедрены в учебный процесс. Они являются основой соответствующих разделов лекционного курса «Ядерно-физические методы в физике твердого тела», читаемом на магистерском цикле студентам радиофизического факультета СПбГПУ. На основании результатов первого и второго этапов работ был прочитан дополнительный курс лекций «Методы диагностики наноразмерных систем». По тематике когерентного рассеяния рентгеновского излучения в данный момент выполнена и защищена магистерская диссертационная работа. Полученные результаты использованы еще в двух успешно защищенных магистерских и 1-й бакалаврской работах. Подготовлена к защите 1 докторская диссертация и ведется работа над еще одной докторской и 4-мя кандидатскими.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Проект ориентирован на равноправное участие молодых исследователей, аспирантов и студентов в проводимых научных исследованиях. Исследования проводятся на самом современном оборудовании, имеющемся в распоряжении коллектива на момент создания НОЦ, приобретенном в рамках программы финансирования инновационных вузов и в международных центрах коллективного пользования. Имеющиеся возможности, очевидно, привлекают молодых исследователей. Нами создана система их включения в международные коллаборации. Кроме того, уже начиная с 5-го курса мы приучаем студентов к необходимости привлечения грантового финансирования (за первое полугодие 2010 года подано 12 конкурсных заявок). За первое полугодие 2010 года студентами и аспирантами НОЦ выиграны конкурсы: Всероссийскоий конкурс 2009 г. научно-исследовательских работ студентов в области нанотехнологий и наноматериалов (Плясцов С.А.), конкурс СПбГПУ 2009 года: «Студент года по достижениям в научно-исследовательской работе» (Шаганов А. П.), Дипломом I-ой степени и Премия им. Академика Лукирского (Костюченко З.А.). Коллектив НОЦ удостоен звания Лауреата Конкурса инновационных и научных разработок СПбГПУ - 2009. В результате работа в научном учреждении становится привлекательной. В 2010 году в рамках НОЦ было подготовлено 3 магистра (2 из них будут поступать в аспирантуру) и 1 бакалавр, до конца года планируется к защите 1 докторант (до 40 лет), приняты в НОЦ 4 студента 3 курса. Студенты и аспиранты активно участвуют в написании научных статей в высокорейтинговых журналах.

4. Выводы
Таким образом поставленные на второй этап проекта задачи полностью выполнены. Нами получен ряд новых важных результатов по исследованию актуальных практически значимых нанонеоднородных материалов. В ходе работ активно участвовали молодые ученые, аспиранты и студенты. Полученные результаты опубликованы в ведущих высокорейтинговых журналах, включая Physical Review B, Journal Of Magnetism And Magnetic Materials , Nanotechnology, Физика Твердого Тела. Материалы исследований внедрены в учебный процесс.
Развернуть
3
01.07.2010 - 01.12.2010
3.1 Экспериментальное исследование критических
процессов в одноосных сегнетоэлектрических
твердых растворах Sr1-xBaxNb2O6(SBN)
3.2 Изучение температурной эволюции доменной
структуры мультиферроиков
3.3 Изучение кристаллической и магнитной
структуры релаксоров-мультиферроиков
3.4 Изучение процессов формирования полярных
нанообластей в пленках релаксоров
3.5 Исследование связи магнитных свойств
смешанных мультиферроиков с зарядовым и
фазовым расслоением
3.6 Исследование эволюции полярных доменов в
мультиферроиках под действием магнитного поля
3.7 Изучение релаксационной динамики полярных
нанообластей и нанодоменов в одноосных
сегнетоэлектрических твердых растворах
Sr1-xBaNbO6SBN)
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.04.2011
Работы четвертого этапа НИР выполнены в полном объеме.
С использованием метода дифракции рентгеновского излучения в скользящей геометрии были изучены полярные нанообласти и нанодомены в эпитаксиальных тонких пленках сегнетоэлектриков релаксоров, представляющих значительный интерес с точки зрения создания модулей сегнетоэлектрической памяти. Проведен анализ трехмерных распределений диффузного рассеяния (ДР) вблизи Брэгговских максимумов. Показано, что диффузное рассеяние в тонкопленочных образцах характеризуется менее выраженной анизотропией, чем в массивных релаксорах, а его параметры указывают на существенное уменьшение корреляционной длины для ионных смещений в полярных нанообластях. На основании анализа ДР было установлено наличие неоднородных (локальных) растяжений решетки вдоль нормали к поверхности пленок. Для реконструкции трехмерных распределений интенсивности ДР на основании изображений позиционно-чувствительного детектора создан соответствующий программный комплекс.
Проведено изучение температурной эволюции полярных нанообластей и нанодоменов в сверхрешетках сегнетоэлектриков релаксоров. Обнаружен принципиально новый тип спонтанно образующихся сверхструктур в магнониобате свинца, характеризуемый утроением элементарной ячейки. При помощи совместного использования широкополосной диэлектрической спектроскопии и квазиупругого рассеяния синхротронного излучения показано, что для исследуемых объектов характерно постепенное замедление релаксационной динамики полярных нанообластей при охлаждении и переход системы в нанодоменное состояние при низких температурах.
Проведены патентные исследования, направленные на определение целесообразности оформления патента на разработанную в данной НИР методику изучения нанодоменных структур при помощи когерентного рассеяния синхротронного излучения. Результаты анализа существующих российских и международных патентов на методики определения доменных структур показывают, что все защищенные методики позволяют исследовать только параметры поверхности кристаллических соединений, в то время как наша методика дает возможность получения информации о нанодоменах на глубине вплоть до 10 мкм и, при этом, является неразрушающей. Разработанная методика является перспективной с точки зрения ее патентной защиты.
Развернуть
5
01.05.2011 - 15.09.2011
5.1 Исследование тонкопленочных
мультиферроиков
5.2 Обобщение и систематизация результатов
5.3 Разработка программы внедрения результатов
НИР в образовательный процесс
5.4 Подготовка итогового научно-технического
отчета
5.5 Выработка рекомендаций по оптимизации
тонкопленочных релаксорных структур
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2009 - 2011, 24 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Организация
Университет ИТМО
профинансировано
Продолжительность работ
2005, 1 мес.
Бюджетные средства
0,36 млн
Организация
ИФХЭ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2011, 17 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ИТЭБ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2012, 30 мес.
Бюджетные средства
3,2 млн
профинансировано
Тема
Наносистемы на основе диэлектрических материалов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка технологических основ получения функциональных полупроводниковых, диэлектрических и проводящих материалов для перспективных приборных разработок
Продолжительность работ
2007 - 2008, 19 мес.
Бюджетные средства
100 млн
Количество заявок
43
Тема
Разработка и создание перфторированных диэлектрических жидкостей с повышенными эксплуатационными характеристиками для комплекса новых энергосберегающих видов высоковольтного электротехнического оборудования.
Продолжительность работ
2007 - 2009, 25 мес.
Бюджетные средства
150 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка методов атомно-слоевого осаждения диэлектрических, полупроводниковых и металлических покрытий на наноструктурированные поверхности.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Получение кристаллических металлических и полупроводниковых нанопроводов в диэлектрической матрице из собственного оксида и исследование их структурных и электрофизических свойств.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 20 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
1