Аннотация результатов, полученных в 2024 году
По итогам первого года реализации проекта достигнуты следующие результаты. Показано, что консольно закрепленные кристаллы бидоменного ниобата лития (BLN) могут быть с высокой точностью описаны одномерной моделью идеального биморфа. Это позволило использовать экспериментально измеренные частотные зависимости импеданса и амплитуды перемещений для расчета ключевых характеристик: поперечного пьезоэлектрического коэффициента, упругой податливости, диэлектрической проницаемости и коэффициента электромеханической связи y+128°-среза кристалла BLN. Параметры определяли, решая обратную задачу минимизации целевой функции нелинейного метода наименьших квадратов с использованием алгоритма имитации отжига. Для серии образцов кристаллов BLN, изготовленных методом диффузионного отжига, при комнатной температуре были протестированы основные пьезоэлектрические и электрофизические характеристики образцов. Кристаллы, продемонстрировавшие наилучшие характеристики, отобраны для проведения высокотемпературного этапа исследования. Исследованы пределы детектирования вибраций чувствительными элементами на основе кристаллов BLN с электродами из NiCr, ITO и Pt в температурном диапазоне от комнатной до 800 ℃. Основным ограничивающим фактором является рост утечки тока из-за увеличения проводимости материала. Установлено: - электроды NiCr деградируют при 500–600 ℃; - электроды ITO демонстрируют деградацию при 600–700 ℃; - деградации платинового электрода не выявлено в исследуемом диапазоне. Консольно закрепленные кристаллы BLN с платиновыми электродами способны детектировать вибрации в диапазоне температур 700–800 ℃. Возможны более высокие рабочие температуры для высокочастотных резонансов. Разработан и изготовлен стенд для одновременного измерения отклика на вибрационное возбуждение и деформационных смещений методом лазерной интерферометрии при температурах до 800 ℃. Стенд пригоден для изучения не только кристаллов LiNbO3, но и других высокотемпературных пьезоэлектриков. Планируется его использование в образовательном процессе НИТУ МИСИС. По результатам отчетного года опубликована одна статья в журнале, входящем в первый квартиль по базе SJR, и подана и принята к публикации одна статья в журнале, входящем в четвертый квартиль по базе SJR.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетный период в рамках проекта были проведены комплексные экспериментальные исследования изгибных пьезоэлектрических преобразователей на основе бидоменных кристаллов ниобата лития (LiNbO3, BLN) для высокотемпературных сенсоров и актюаторов. Основное внимание уделялось электрофизическим характеристикам, предельным рабочим условиям и механизмам деградации рабочих элементов на основе BLN, а также разработке практических рекомендаций по их применению. На основе коммерческих пластин LiNbO3 y+128°-среза толщиной 0,35 мм методом аут-диффузии Li2O были получены бидоменные кристаллы, из которых сформированы консольные изгибные актюаторы. Реализованы три типа электродов: толстоплёночные палладиевые покрытия (нанесенные в виде палладиевой пасты) и тонкоплёночных NiCr и ITO, осаждённые магнетронным распылением. Для серий образцов проведена аттестация по частотным зависимостям импеданса и измерениям перемещения свободного конца (лазерная интерферометрия). По результатам решения обратной задачи для 11 образцов получены эффективные параметры материала, включая поперечный рабочий пьезоэлектрический коэффициент d23=25±1 пКл/Н, хорошо совпадающий с табличными данными для монодоменных кристаллов аналогичной ориентации. Это обеспечивает надёжную базу для дальнейшего анализа температурной стабильности актюаторов. С использованием синхронного детектора Zurich Instruments MFLI и модифицированной высокотемпературной печи получены импедансные спектры консольно закреплённых BLN-образцов в диапазоне температур от комнатной до 800 °C. Показано, что палладиевые электроды сохраняют стабильные импедансные характеристики во всём исследованном интервале температур; ITO-электроды работоспособны до 800 °C, но после охлаждения демонстрируют признаки растрескивания; NiCr-электроды необратимо деградируют уже при ~500 °C. Амплитудно-частотные характеристики изгиба показали, что резонансный отклик актюатора сохраняется до 800 °C, при этом резонансная частота практически не меняется, а уменьшение амплитуды низкочастотных перемещений при T=500 °C связано с ростом проводимости и экранированием внутреннего поля. Для проведения измерений был создан и охарактеризован модифицированный вибрационный стенд, обеспечивающий возбуждение изгибных колебаний при температурах до 800 °C. Конструкция включает резистивную печь (~150 см3) с двумя независимо управляемыми нихромовыми нагревателями ( мощностью 400 Вт), термопара типа S и ПИД-контроллер для точной стабилизации температуры (разброс не более 3 °C в установившемся режиме). Рабочая поверхность вибростенда не имеет выраженных собственных резонансов в диапазоне 1–10 кГц, что позволяет проводить высокочувствительные измерения вибрационных сенсоров при комнатной температуре и до ~1 кГц при работе через керамический шток внутри печи при повышенных температурах. Разработаны практические рекомендации по организации оптического тракта и механической фиксации элементов установки для обеспечения воспроизводимых интерферометрических измерений при термоциклировании. Оценена температурная зависимость минимально контролируемого перемещения и динамических характеристик актюаторов по критерию сигнал/шум (SNR), рассчитанному как отношение отклика BLN-образца к «шуму» монодоменного кристалла-«болванки». Показано, что при всех исследованных температурах SNR > 10 достигается в квазистатическом режиме и на резонансе; до ~400 °C это условие выполняется во всём диапазоне частот 10–1500 Гц, а при более высоких температурах рабочий диапазон с SNR > 10 сужается к области резонансной частоты, но даже при 800 °C сохраняется возможность надёжного измерения резонансных перемещений. Отдельно исследовано влияние пирoэлектрического эффекта: показано, что для бидоменных кристаллов пироток существенно меньше по амплитуде и быстро затухает во времени, а его вклад в спектр отклика сенсора минимален; при необходимости влияние может быть дополнительно подавлено фильтрацией низких частот. Проведены длительные испытания временной стабильности в режимах актюатора и сенсора вибрации. При возбуждении актюатора на частоте основного изгибного резонанса (378 Гц) при 800 °C амплитуда перемещения порядка 1 мкм оставалась стабильной (разброс ≲2 %) в течение 24 часов. Аналогично, чувствительный элемент вибрационного сенсора при 700 °C демонстрировал устойчивую чувствительность ≈0,10 V/g с вариациями ≲3 % и без признаков деградации. Это подтверждает возможность длительной работы BLN-актюаторов и сенсоров при высоких температурах. Механизмы деградации электродов NiCr и ITO и устойчивость Pd-слоя исследованы методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Показано, что для нихрома при высокотемпературной выдержке происходит диффузия Cr в кристалл и глубокое окисление плёнки, нарушающее пассивирующий слой и приводящее к потере проводимости. Для ITO выявлен ограниченный катионный обмен с BLN и растрескивание плёнки при сохранении электрического контакта. В случае Pd-пасты существенных изменений состава и структуры интерфейса не обнаружено, что подтверждает её выбор как предпочтительного электродного материала для высокотемпературных изгибных преобразователей. По итогам выполненных исследований сформулированы рекомендации по выбору материала электродов, рабочей геометрии и частотных режимов для практического применения бидоменных кристаллов LiNbO3 в качестве изгибных актюаторов и вибрационных сенсоров при температурах до 800 °C. По материалам этапа работ опубликована одна статья в журнале Q1, ещё две статьи приняты к публикации в журналах Q4.