КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-42-00116

НазваниеМногомасштабное управление структурой и физическими свойствами релаксорной сегнетоэлектрической керамики для актюаторов и устройств накопления энергии.

РуководительШур Владимир Яковлевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые словарелаксорный сегнетоэлектрик, твёрдый раствор, доменная структура, фазовые переходы, инженерия дефектов, пьезоэлектричество, поляризация в электрическом поле, оптимизация состава

Код ГРНТИ29.19.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния, связанной с изучением электромеханического отклика в релаксорной сегнетоэлектрической керамике под действием сильных электрических полей при доминирующем вкладе электрострикционного эффекта. Значительный интерес представляет увеличение стабильности электромеханического отклика в широком температурном диапазоне и уменьшение сегнетоэлектрического гистерезиса. Систематическое исследование структуры и функциональных свойств керамики с использованием комплекса взаимодополняющих локальных и макроскопических методов в диапазоне электрических полей, температур и химической неоднородности составов твёрдых растворов, позволит детально изучить особенности формирующегося релаксорного состояния и его поведения в области морфотропной и полиморфной фазовых границ. На примере керамик на основе (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT) планируется выявить роль движения доменных стенок и фазовых превращений под действием электрического поля в гистерезисе поляризации в релаксорной фазе и их вклада в результирующие электромеханические свойства керамик. Исследуемые релаксорные керамики представляют собой твёрдые растворы на основе BNT, в которых фазовый переход возникает как при изменении температуры, так и благодаря химическому замещению ионов. Несмотря на то, что во многих релаксорных керамиках под действием электрического поля достигнуты большие значения эффективной деформации, актуальной задачей является увеличение температурной стабильности электромеханического отклика и уменьшение гистерезиса при приложении электрического поля, которое является одним из ключевых параметров для применения керамики в устройствах накопления энергии. Механизм электромеханического отклика в сильных полях недостаточно изучен и отсутствует понимание влияния движения доменных стенок и индуцированных электрическим полем фазовых превращений на его величину, гистерезис и температурную стабильность. Одновременный анализ структурных и функциональных свойств керамик на основе BNT позволит предложить физическую модель, наиболее полно описывающую механизмы улучшения электромеханических свойств и величины поляризации при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении. Целью проекта является исследование сегнетоэлектрических, диэлектрических и электромеханических свойств релаксорной керамики на основе твёрдых растворов BNT для увеличения поляризации и уменьшения ее гистерезиса, а также повышения температурной стабильности электромеханического отклика и поляризации, с помощью набора взаимодополняющих макроскопических и локальных методов. В результате выполнения проекта будет установлена взаимосвязь между изменением кристаллической структуры, электромеханическими, сегнетоэлектрическими и диэлектрическими свойствами, распределением эффективных пьезоэлектрических и электрострикционных коэффициентов в отдельных зёрнах керамики, а также доменной структурой и параметрами движения доменных стенок, что позволит создать физическую модель, описывающую релаксорное состояние в керамиках на основе BNT и его эволюцию при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении ионов. Члены зарубежного научного коллектива из Сианьского Транспортного университета, Сиань, Китай являются признанными в мировом научном сообществе специалистами в синтезе и измерении интегральных характеристик сегнетоэлектрических керамик. Они обладают самым современным комплексом оборудования для синтеза керамических материалов, а также многолетним успешным опытом измерения их основных характеристик. Вклад китайской группы в выполнение данного проекта является определяющим, поскольку они изготовят все исследуемые материалы, а также будут исследовать их структурные свойства методом рентгеновской дифракции с помощью дифрактометра высокого разрешения D/Max-IIIC, Rigaku, что позволит получить высококачественные дифракционные спектры в широком интервале углов и температур. Китайский партнер будет выполнять измерения петель сегнетоэлектрического и пьезоэлектрического гистерезиса, а также интегральные измерения методом диэлектрической спектроскопии. Залогом успешного выполнения поставленных в проекте задач является опыт успешного продуктивного взаимодействия Российского и Китайского коллективов в рамках выполнения проекта БРИКС 2018-2020 гг.

Ожидаемые результаты
Целью проекта является исследование при помощи набора взаимодополняющих макроскопических и локальных методов сегнетоэлектрических, диэлектрических и электромеханических свойств релаксорной керамики на основе твёрдых растворов (Na0.5Bi0.5)TiO3 (BNT) для увеличения поляризации и уменьшения гистерезиса, а также для повышения температурной стабильности электромеханического отклика и поляризации. Исследуемые твёрдые растворы на основе BNT являются керамикой релаксорного сегнетоэлектрика, в котором фазовый переход возникает как при изменении температуры, так и в зависимости от условий химического замещения. Несмотря на то, что во многих релаксорных керамиках под действием электрического поля достигнуты большие значения эффективной деформации, актуальной задачей является увеличение температурной стабильности электромеханического отклика и уменьшение гистерезиса при приложении электрического поля, что является одним из ключевых параметров для применения материала в устройствах накопления энергии. Тем не менее, механизм электромеханического отклика в диапазоне больших напряженностей электрического поля недостаточно изучен, а именно отсутствует понимание воздействия движения доменных стенок и фазовых превращений под действием электрического поля на величину, гистерезис и температурную стабильность электромеханического отклика. Объединение усилий членов Китайской группы, которые являются признанными специалистами в синтезе и измерении интегральных характеристик керамики и представителей Российской группы, которые обладают уникальным опытом исследования локальных свойств и движения доменных границ в сегнетоэлектриках, позволит впервые в мире провести систематическое структурное и функциональное исследование поведения керамики. Исследование твердых растворов BNT с различными сегнетоэлектрическими, антисегнетоэлектрическими и несегнетоэлектрическими компонентами позволит детально изучить структурные и функциональные изменения. В результате выполнения проекта будет установлена взаимосвязь между изменением кристаллической структуры, электромеханическими, сегнетоэлектрическими и диэлектрическими свойствами, распределением эффективных пьезоэлектрических и электрострикционных коэффициентов в отдельных зёрнах керамики, а также геометрией доменной структуры и параметрами движения доменных стенок, что позволит создать оригинальную физическую модель, описывающую релаксорное состояние в керамике на основе BNT и его эволюцию при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении ионов. Разработанные в ходе выполнения проекта методы изготовления керамики и полученные научные результаты будут иметь важное практическое значение, поскольку позволят создавать новые перспективные материалы на основе BNT для использования в актюаторах и устройствах накопления энергии с улучшенными характеристиками.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния, связанной с изучением электромеханического отклика в релаксорной сегнетоэлектрической керамике под действием сильных электрических полей при доминирующем вкладе электрострикционного эффекта. Целью проекта является исследование сегнетоэлектрических, диэлектрических и электромеханических свойств релаксорной керамики на основе твёрдых растворов BNT для увеличения поляризации и уменьшения ее гистерезиса, а также повышения температурной стабильности электромеханического отклика и поляризации, с помощью набора взаимодополняющих макроскопических и локальных методов. В ходе выполнения работ на первом этапе проектах получены следующие научные результаты: - Разработана методика измерения величин эффективных пьезоэлектрического и электрострикционного коэффициентов при помощи силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика. Для решения задачи определения эффективных пьезоэлектрического и электрострикционного коэффициентов по данным смещения поверхности методом конечных элементов решалась краевая электромеханическая задача и проводилась подгонка решения к экспериментальным значениям деформаций путём вариации коэффициента электрострикции. Показано, что полученные значения локальных коэффициентов электрострикции керамик близки к результатам, получаемым интегральными методами. - Разработана методика измерений спектров комбинационного рассеяния света при приложении электрического поля. В керамике BNT-PT обнаружено изменение интенсивности и положения центра масс двух групп пиков в электрическом поле, образующие петлю гистерезиса, что открывает дополнительные возможности для in situ исследования изменения симметрии в релаксорных материалов в электрическом поле. - Исследована доменная структура в керамических твёрдых растворах BNT-PT и BNT-BT. Для керамики BNT-PT исследована доменная структура для различных концентраций PT, а для керамики BNT-BT для различной степени замещения ионов Ba и Na в A-позиции решётки при постоянной концентрации BT. Исследования BNT-PT показали, что во всех составах наблюдается сегнетоэлектрическая нанодоменная структура со средним размером нанодоменов до 50 нм, а также зёрна, в которых при помощи СМПО и электронной микроскопии обратнорассеянных электронов не удалось выявить доменную структуру, что объяснено существованием доменов ромбоэдрической симметрии с размерами менее 10 нм. После выдержки керамики в постоянном поле наблюдалось укрупнение доменной структуры с формированием внутри зёрен областей с макроскопическими полосовыми доменами с периодом до нескольких микрометров. Обнаруженная доменная структура свидетельствует о сосуществовании структурных фаз вблизи морфотропной фазовой границы ромбоэдрическая фаза – тетрагональная фаза, а также об индуцированных электрическим полем фазовых превращениях. - В керамике BNT-BT вблизи морфотропной фазовой границы с небольшой вариацией катионов Bi и Na в А-позиции решётки для состава с сегнетоэлектрической петлёй гистерезиса наблюдалось сосуществование фаз с макроскопическими сегнетоэлектрическими доменами и фазы с однородным пьезоэлектрический откликом. В то время как для керамики с двойной петлёй в зернах наблюдался только однородный пьезоэлектрический отклик. - На основании взаимодополняющих результатов исследований методами диэлектрической спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, выполненных Китайским партнёром, и измерений петель гистерезиса, исследований методом спектроскопии комбинационного рассеяния света и микроскопических исследований, выполненных нашей группой, показано, что в керамиках BNT-PT наблюдается широкая морфотропная фазовая граница ромбоэдрическая фаза (R3C)-тетрагональная фаза (P4bm) в диапазоне концентраций PT от 6 до 16%. При малых степенях замещения ионов Bi и Na на ионы Pt (до 4%) также наблюдаются области псевдокубической фазы, возникающие в результате уменьшения доменов ромбоэдрической фазы менее 10 нм. После выдержки в постоянном поле наблюдается выявленный методом микроскопии комбинационного рассеяния фазовый переход ромбоэдрическая фаза – тетрагональная фаза, и возникновение областей с полосовыми макроскопическими доменами типичными для сегнетоэлектрической керамики в тетрагональной фазе. При нагреве керамики выше температуры диэлектрического максимума наблюдается термическая деполяризация, которая приводит к полному исчезновению макроскопических доменов. В области диэлектрических аномалий в керамике были обнаружены слияния отдельных нанодоменов, приводящие к незначительным изменениям доменной структуры. - Пьезоэлектрические и электрострикционные коэффициенты в керамиках NBT-PT и NBT-BT были рассчитаны из результатов измерений P-E и S-E петель гистерезиса, а также измерены методами лазерной интерферометрии. Показано, что при комнатной температуре, керамика BNT-PT обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом в исследованном диапазоне концентрации PT в твёрдом растворе, и наблюдаемое изменение размеров доменов и размытие пика диэлектрической проницаемости не приводит к улучшению электрострикционных характеристик, что можно отнести за счет увеличения токов утечки. Уменьшение токов утечки с увеличением концентрации PT приводит к росту пьезоэлектрического и электрострикционного коэффициентов, однако, при этом керамика ведёт себя, как классический сегнетоэлектрик. - В керамике BNT-BT для двух составов с различной степенью замещения ионов Bi и Na в А-позиции кристаллической решетки существенно различались значения коэффициентов M33, Q33 и d33. Увеличение электрострикционных коэффициентов M33 и Q33 согласуется с трансформацией формы петли гистерезиса от типичной сегнетоэлектрической к двойной и с изменением доменной структуры и пьезоэлектрического отклика в зёрнах. Разработанные в ходе выполнения проекта методики и полученные научные результаты имеют важное практическое значение, поскольку позволят создавать новые перспективные материалы на основе BNT для использования в актюаторах и устройствах накопления энергии с улучшенными характеристиками.

 

Публикации

1. Leiyang Zhang, Ruiyi Jing, Hongliang Du, Yunyao Huang, Qingyuan Hu, Yuan Sun, Yunfei Chang, Аликин Д.О., Xiaoyong Wei, Wenwu Cao, Шур В.Я., Shujun Zhang, Dragan Damjanovic, Li Jin Ultrahigh electrostrictive effect in lead-free ferroelectric ceramics via texture engineering ACS Applied Materials & Interfaces, V.15(43), pp.50265-50274 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsami.3c11432

2. Wen Wang, Yangbin Ma, Ruiyi Jing, Wenjing Shi, Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Concentration-driving pinning effect in lead-free Mn-substituted BCZT ferroelectric ceramics Ceramics International, V.49, pp.33324-33332 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.08.044

3. Yunyao Huang, Leiyang Zhang, Ruiyi Jing, Mingyang Tang, Аликин Д.О., Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Lead zirconate titanate-based ceramics with high piezoelectricity and broad usage temperature range Chemical Engineering Journal, V.477, 147192 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147192

4. Yunyao Huang, Leiyang Zhang, Ruiyi Jing, Wenjing Shi, Аликин Д.О., Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Phase evolution and strong temperature-dependent electrostrictive effect in (1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 solid solutions Journal of the American Ceramic Society, V.106, pp.4709–4722 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1111/jace.19104

5. Yunyao Huang, Leiyang Zhang, Ruiyi Jing, Yang Yang, Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Superior piezoelectric performance with high operating temperature in bismuth ferrite-based ternary ceramics Journal of Materials Science & Technology, V. 169, pp. 172-181 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.063

6. Yunyao Huang, Leiyang Zhang, Wenjing Shi, Qingyuan Hu, Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Ferroelectric-to-relaxor transition and ultrahigh electrostrictive effect in Sm3+-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 ferroelectrics ceramics Journal of Materials Science & Technology, V.165, pp.75-84 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.04.046

7. Yunyao Huang, Wenjing Shi, Ruiyi Jing, Nguyen-Minh-An Tran, Haibo Zhang, Шур В.Я., Xiaoyong Wei, Li Jin Enhanced electrostrains in PMN–xPZN solid solutionsdriven by a rather small electric field Journal of the American Ceramic Society, V.106, pp.6694-6704 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1111/jace.19290

8. А.С. Абрамов, Leiyang Zhang, А.Д. Ушаков, Л.В. Гимадеева, Д.О. Аликин, Li Jin, В.Я. Шур Особенности фазовых превращений в керамике Bi0.5Na0.5TiO3-PbTiO3 Тезисы Симпозиума «Актуальные вопросы физики сегнетоэлектриков и родственных материалов», г. Москва, 29 ноября-1 декабря 2023 г., - (год публикации - 2023)