Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На примере подложек из монокристаллического кремния и поликора и различных комбинаций электродов (золото Au, платина Pt, титан Ti, хром Cr, низкоомный кремний Si) изучено влияние материалов подложки и электродов на формирование внутреннего поля, положение точки Кюри и диэлектрические свойства тонких сегнетоэлектрических пленок титаната свинца PbTiO3 и цирконата-титаната свинца Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 различной толщины. Установлено, что в пленках одинаковой толщины, с одинаковой комбинацией электродов меньшее значение Ebs наблюдается для подложки из Si, что можно объяснить меньшими деформациями в плоскости соединения пленки и подложки вследствие меньшего различия в коэффициентах теплового расширения в процессе высокотемпературного отжига при формировании пленки. Для пленок на одинаковых подложках с различными нижним и верхним электродами с большой вероятностью причиной существования внутреннего поля смещения является разница работ выхода электронов для различных материалов электродов. Сегнетоэлектрические сверхрешетки в виде 32 слоев титаната бария/цирконата бария с периодом Λ = 13,322 нм, нанесенные методом импульсного лазерного напыления на подложку из оксида магния демонстрируют сегнетоэлектрический переход при температуре ~ 393-3950С, гораздо более высокой, чем точка Кюри в объемных образцах и в пленках титаната бария. Выполнение закона «двойки», отсутствие температурного гистерезиса диэлектрической проницаемости, плавные изменения поляризации и коэрцитивного поля с температурой вблизи точки Кюри указывают на то, что наблюдаемый переход является фазовым переходом второго рода. Значения диэлектрической проницаемости исследуемой сверхрешетки падают с ростом частоты измерительного поля во всем исследуемом интервале температур при неизменном положении максимума температурной зависимости диэлектрической проницаемости. В исследуемых структурах наблюдается внутреннее поле смещения, направленное от сверхрешетки к подложке. Возникновение указанного поля можно объяснить выдавливание положительно заряженного сегнетоактивного иона в сторону противоположную подложке в слое, находящемся в контакте с нижним электродом, за счет флексоэлектрического эффекта. Проведенные исследования показали значительное влияние матрицы и ситуации на границе включения с матрицей на свойства композитов НКЦ+ТГС, НКЦ + сегнетова соль и НКЦ+NaNO2. В композите с триглицинсульфатом точка Кюри сдвинута в область высоких температур по сравнению с объемным ТГС примерно на 5 градусов, в композите с сегнетовой солью верхняя точка Кюри смещена в область высоких температур примерно на 30 градусов, что объясняется фиксацией поляризации во включении из-за наличия в нем и в матрице водородных связей. В случае композита с нитритом натрия точка Кюри в композите наоборот смещена в сторону низких температур примерно на 40 градусов. Причинами такого поведения композита с внедренным нитритом натрия предположительно является отсутствие сильного взаимодействия сегнетоэлектрического включения с матрицей из-за отсутствия водородных связей во включении и опрокидывающее действие деполяризующих полей связанных зарядов на границе включения в композите НКЦ+NaNO2. Во всех исследованных композитах наблюдается сильная дисперсия диэлектрической проницаемости, причинами которой в области инфра низких частот являются Максвелл-Вагнеровская релаксация, а в случае сегнетоэлектрического включения ТГС и движение доменных границ во включении. Получены двухслойные самосмещенные магнитоэлектрические композиты, представляющие собой чередующиеся магнитострикционный слой из распределенных в эпоксидном компаунде ферромагнитных гранул TDF и пьезоэлектрический слой из керамики PZT. Проведенные экспериментальные исследования показали, что большие значения МЭ отклика наблюдаются в композитах с градиентным распределением гранул TDF, индуцирующим Hint, чем в композитах со случайным распределением гранул TDF, не создающим Hint. Обнаружена корреляция Hint с градиентом концентрации гранул TDF в магнитострикционном слое gradC, что позволяет использовать gradC для получения величины Hint, обеспечивающей наибольшие МЭ отклики в композитах. Магнитоэлектрический коэффициент по напряжению α31 характеризуется максимумом в зависимости от внешнего Н= или внутреннего Hint магнитных полей. Коэффициент α31 пропорционален постоянной пьезомагнитной связи q11 = dλ11/dН= = dλ11/dНint. При увеличении магнитных полей Н= и Hint магнитострикционный коэффициент λ11 сначала возрастает, а затем выходит на насыщение. Поэтому с ростом Н= и Hint коэффициенты q11 и α31 проходят через пик, соответствующий точке перегиба на зависимости λ11(Н=).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Деформационные поля несоответствия между слоями сегнетоэлектрических сверхрешеток цирконата бария/титаната бария BaZrO3/BaTiO3 приводят к смещению фазового перехода в полярную фазу и изменению типа фазового превращения с первого рода на второй. Об этом свидетельствуют закон «двойки» для диэлектрической проницаемости, отсутствие температурного гистерезиса точки Кюри при награвании и охлаждении материала. Исследования температурных изменений в петлях диэлектрического гистерезиса также показывают достаточно плавное понижение спонтанной поляризации и коэрцитивного поля при приближении к температуре перехода в неполярную фазу для рассматриваемых сверхрешеток. Причиной повышенной диэлектрической проницаемости данной сверхрешетки является влияние на поляризацию и связанный с ней отклик деформаций, возникающих при сопряжении слоев титаната и цирконата бария. С использованием модифицированной схемы Сойера – Тауэра и методики Мерца исследованы переполяризационные свойства сегнетоэлектрических сверхрешеток цирконата бария/титаната бария BaZrO3/BaTiO3 на подложке из монокристаллического оксида магния MgO. Экспериментальные исследования токов переключения показали, что процессы переключения в синтезированных сверхрешетках осуществляются в две стадии – активационного движения (режим «переползания») и безактивационного движения (режим скольжения). Наличие активационной стадии переключения показывает, что с высокой вероятностью процессы переключения в исследуемой сверхрешетке осуществляются путем движения доменных границ. Пороговое поле, разделяющее указанные стадии, уменьшается с ростом температуры при приближении к точке Кюри сверхрешетки аналогично коэрцитивному полю. Выявленный в работе неподчиняющийся строго экспоненциальной зависимости от напряженности поля активационный режим движения может быть смоделирован зависимостью с критическим показателем для приложенного электрического поля. Угол наклона полевой зависимости тока переключения на линейном участке уменьшается с ростом температуры, что можно объяснить уменьшением поляризации и ростом времени переключения при приближении к температуре фазового перехода в неполярное состояние в решетке. Обе используемые для регистрации процессов переключения методики показывают, что исследуемые сверхрешетки обладают небольшим внутренним полем смещения, направленным от сверхрешетки к подложке. Исследовано влияние деполяризующих полей на температуру перехода в полярное состояние в сегнетоэлектрических композитах в виде сферических сегнетоэлектрических включений, внедренных в диэлектрическую матрицу. Определена температура указанного перехода как в отсутствие эффектов экранирования деполяризующего поля связанных зарядов спонтанной поляризации на поверхности включений, так и при наличии эффектов экранирования. Показано, что в первом случае смещение точки Кюри определяется отношением константы Кюри сегнетоэлектрического включения к диэлектрической проницаемости матрицы. При наличии эффектов экранирования деполяризующего поля смещение температуры перехода уменьшается за счет умножения указанной величины на понижающий коэффициент, равный отношению длины экранирования к радиусу сегнетоэлектрического включения. Экспериментально наблюдаемыми примерами воздействия деполяризующих полей на положение точки Кюри являются композит нанокристаллическая целлюлоза + нитрит натрия, у которого точка Кюри в сравнении с другими композитами смещена вниз по шкале температур примерно на 40 градусов по сравнению с объемным нитритом натрия. Другим проявлением влияния деполяризующих полей и эффектов экранирования является поведение смесевого композита триглицинсульфат – кремнезем. После выдержки в течение порядка тысячи часов точка Кюри в нем смещается в область высоких температур примерно на 35 градусов. Предполагается, что указанное повышение связано с проходящими в течение выдержки образцов в сегнетофазе процессами экранирования зарядов спонтанной поляризации в местах контактов сегнетоэлектрического материала с диэлектрическими включениями. Высокие значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь для композита NCC+NaNO2 в области низких частот и наблюдаемые здесь особенности дисперсии диэлектрических свойств могут быть связаны с миграционной поляризацией, аналогичной поляризации Максвелла – Вагнера в случае гетерофазного материала. Согласно условиям эксперимента наноканалы матричной целлюлозы расположены перпендикулярно поверхности образцов. Присутствующие во внедряемом в композит сегнетоэлектрике ионы нитрита натрия Na+ и компенсирующие их отрицательно заряженные ионы, а также заряженные примеси, присутствующие непосредственно в целлюлозе, перемещаются под действием приложенного внешнего переменного электрического поля в композитном материале, создавая на низких частотах эффект экранирования приложенного поля. При этом толщины слоев, в которые проникает приложенное внешнее поле и в стенках целлюлозы, и в материале внедрения уменьшаются, что приводит к эффективному росту емкостей соответствующих наноканалов, а, значит, и диэлектрической проницаемости композита. В отсутствие постоянного магнитного поля, при напряженности переменного магнитного поля 5 Э, в интервале частот 100 − 300 кГц и температур 77 − 400 К изучен прямой магнитоэлектрический эффект в двухслойных композитах а Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – b PbZr0,53Ti0,47O3 (где a и b – соответственно толщины магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев). Композиты были получены нанесением на поляризованные по толщине керамические пластины PbZr0,53Ti0,47O3 магнитострикционных слоев из эпоксидного компаунда как со случайно, так и градиентно распределенными в нем гранулами Tb0,12Dy0,2Fe0,68. Показано, что по мере увеличения угла между магнитным и электрическим полями магнитоэлектрический коэффициент по напряжению увеличивается и достигает своего максимального значения при угле, равном 90°. На резонансных частотах 1-й гармоники продольных колебаний по ширине образца 205,6 − 214,8 кГц поперечный магнитоэлектрический коэффициент по напряжению составляет 8,8 − 14 мВ/(см•Э) для композитов со случайным распределением гранул TDF и 17,1 − 24,2 мВ/(см•Э) для композитов с градиентным распределением гранул TDF вдоль длины образцов. Обнаружено, что магнитоэлектрический коэффициент больше в случае градиента концентрации гранул вдоль длины, а не толщины образцов. Зависимости магнитоэлектрического коэффициента от толщины магнитострикционного слоя, принимающей значения от 0,3 до 1,5 мм, магнитоэлектрического коэффициента от температуры и магнитоэлектрического коэффициента от среднего размера гранул, изменяющегося в интервале 40 − 200 мкм, проходят через максимумы, которые приходятся на 0,9 мм, 253 К и 71 мкм соответственно. Полученные экспериментальные результаты обсуждаются в рамках теории сплошной среды.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Исследованы причины возникновения высокого диэлектрического отклика сегнетоэлектрических сверхрешеток. Показано, что причиной наблюдаемой в эксперименте повышенной статической диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических сверхрешеток является влияние на поляризацию и связанный с ней отклик деформаций, возникающих при сопряжении различных слоев сверхрешетки. В случае сверхрешетки титанат бария/цирконат бария растяжение слоев BaTiO3 в результате эпитаксиального сопряжения со слоями BaZrO3, имеющими больший размер ячейки, стабилизирует в слое BaTiO3 поляризацию в плоскости слоя. Одновременное сжатие сопрягаемых с ним слоев BaZrO3 вызывает появление в них поляризации, нормальной к границе раздела. Диэлектрическая проницаемость в объемном титаната бария в направлении нормали к поляризации намного больше, чем вдоль полярной оси. Приложение поля по направлению нормали к решетке заставляет работать поперечный отклик слоя титаната бария, поляризованного вдоль большой плоскости решетки, что является одной из причин увеличения ее общей диэлектрической проницаемости. Другим фактором повышения диэлектрической проницаемости рассматриваемой решетки вдоль нормали к слоистой структуре является индуцированное сжатием появление поляризации и размягчение решетки в цирконате бария по отношению к действию нормального электрического поля. 2. Показано, что синтезированные сверхрешетки титанат бария/цирконат бария обладают внутренним полем смещения, которое можно определить по смещению петли диэлектрического гистерезиса и по точке пересечения зависимостей imax(E) с полевой осью. Результаты его определения по двум указанным методикам примерно совпадают и показывают, что при температуре 20 °С оно равно 32 kV/cm и незначительно уменьшается при увеличении температуры. Указанное внутреннее поле направлено от сверхрешетки к подложке, что можно объяснить флексоэлектрическими деформациями материала решетки, контактирующего с нижним электродом. Размер элементарной ячейки нижнего электрода меньше, чем у контактирующего с ним цирконата бария. Это создает действующие на ячейку цирконата бария сжимающие напряжения в направлении параллельном плоскости контакта. В результате действия указанных напряжений элементарные ячейки цирконата бария, контактирующие с данным электродом, приобретают форму трапеции с коротким основанием со стороны нижнего электрода. В результате изменения формы элементарной ячейки находящийся в ее центре положительно заряженный сегнетоактивный ион циркония выдавливается в сторону противоположную подложке, создавая таким образом поле указанного направления. 3. Исследования диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрических композитов нанокристаллическая целлюлоза с нитритом натрия, триглицинсульфатом и сегнетовой солью в качестве включений показывают значительный вклад миграционной поляризацией, аналогичной поляризации Максвелла – Вагнера в свойства указанных гетерофазных материалов на низких частотах. Указанная поляризация позволяет в частности объяснить высокие значения диэлектрической проницаемости композита нанокристаллическая целлюлоза - нитрит натрия на малых частотах. Присутствующие во внедряемом в композит сегнетоэлектрике нитрита натрия ионы Na+ и компенсирующие их отрицательно заряженные ионы во внедрении, а также заряженные примеси, находящиеся в целлюлозе, перемещаются под действием приложенного внешнего переменного электрического поля в пределах отдельных фаз композитного материала, создавая на низких частотах эффект экранирования приложенного поля. При этом толщины слоев, в который проникает приложенное внешнее поле и в стенках целлюлозы, и в материале внедрения уменьшаются, что приводит к эффективному росту емкостей соответствующих наноканалов, поскольку экранирующие заряды играют роль подвижных электродов, эффективно «закорачивающих» заэкранированные области. Указанное перераспределение электрических полей в композите в результате приводит к эффективному увеличению регистрируемой емкости, а, значит, и диэлектрической проницаемости композита. На высоких частотах указанный экранирующий заряд не успевает образоваться, поэтому эффект эффективного возрастания емкости за счет «закорачивания» части объема материала отсутствует. 4. В ходе выполнения проекта получены самосмещенные образцы двухслойных магнитоэлектрических (МЭ) композитов а Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – b PbZr0,53Ti0,47O3 с разной массовой долей эпоксидного компаунда в магнитострикционных слоях. В полученных композитах изучен прямой магнитоэлектрический эффект в зависимости от толщины магнитострикционного слоя и частоты переменного магнитного поля. Обнаружено, что при резонансной частоте 1-й гармоники продольных колебаний по ширине образца, постоянном магнитном поле напряженностью 720 Э, среднем размере гранул терфенола 71 мкм и температуре 300 К поперечный МЭ коэффициент по напряжению уменьшается от 31 до 7 мВ/(см∙Э), когда массовая доля эпоксидного компаунда увеличивается в интервале 0,1 – 0,4. Ослабление МЭ эффекта связано с ухудшением межграничного соединения в композитах и подтверждается уменьшением коэффициента механической связи, которое было оценено в рамках теорий сплошной среды и Ландау-Гинзбурга-Девоншира. Оценка коэффициента механической связи для а Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – b PbZr0,53Ti0,47O3 с массовой долей эпоксидного компаунда 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 в магнитострикционных слоях дала величины 0,7; 0,6; 0,4 и 0,3 соответственно. 5. Для образцов композитов с использованием теории сплошной среды рассчитаны МЭ коэффициенты в интервале частот переменного магнитного поля 100 – 350 кГц при толщине магнитострикционного слоя, изменяющегося от 0,3 до 1,5 мм, и толщине пьезоэлектрического слоя 0,3 мм. Показано, что максимальные МЭ коэффициенты наблюдаются на резонансной частоте 1-й гармоники продольных колебаний по ширине образца при соотношении между толщиной магнитострикционного слоя и толщиной пьезоэлектрического слоя 0,9 мм и 0,3 мм соответственно. Сравнение рассчитанных и экспериментальных зависимостей позволило обнаружить их качественное согласие друг с другом, на основании чего сделан вывод о возможности использования теории сплошной среды в условиях данного эксперимента. Для количественного согласия требуется учитывать в используемых формулах неоднородность по составу магнитострикционных слоев и неидеальную связность композитов а Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – b PbZr0,53Ti0,47O3. На основании проделанных исследований разработаны рекомендации по практическому внедрению полученных результатов.