Ротационные искажения в многоподрешеточных кристаллах: дизайн функциональных материалов с управляемыми физическими свойствами

Целью проекта является установление роли ротационных структурных искажений в формировании физических свойств многоподрешеточных кристаллов, востребованных для нужд электроники (диэлектрики, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики), наноэлектроники (несобственные сегнетоэлектрики, мультиферроики), энергетики (фотовальтаики), химической промышленности (химически-устойчивые диэлектрики, фотокатализаторы). Все планируемые работы были выполнены в полном объеме, а ожидаемые научные результаты достигнуты с существенным опережением графика. Решение основных научных задач проекта осуществлялось по трем органично связанным друг с другом направлениям исследований: теоретическому, экспериментальному и технологическому. На основании совместных теоретико-групповых и квантово-механических расчетов искаженной кристаллической структуры перовскита CsPbI3 установлена роль всех первичных и вторичных параметров порядка в формировании запрещенной зоны. Впервые удалось разделить параметры порядка по степени влияния их амплитуды на величину запрещенной щели. Проведенный анализ механизмов физической реализации параметров порядка позволил выделить наиболее эффективные структурные механизмы управлением шириной запрещенной щели, что необходимо для повышения коэффициента полезного действия солнечных батарей на основе галидных перовскитов. Выполнен теоретико-групповой анализ все возможных структур несобственных сегнетоэлектриков, в которых возникновение поляризации обусловлено комбинацией наклонов анионных октаэдров и атомного упорядочения. Установлена принципиальная возможность существования 7 типов упорядоченных структур (сверхрешеток) гибридных несобственных сегнетоэлектриков, для каждой из которых определены все параметры порядка, кристаллографические параметры (вектора трансляций и др.) и структурные формулы. Проведена декомпозиция атомных смещений на вклады от первичных и вторичных параметров порядка для структур экспериментально известных орторомбических перовскитов с пространственной группой Pnma, относящихся к различным классам соединений: оксиды, фториды, нитриды, сульфиды, галогениды и селениды. Показано выполнение симметрийно-обусловленных взаимосвязей между ротационными и вторичными параметрами порядка во всех рассмотренных классах структур, прежде всего взаимосвязь двух типов наклонов октаэдров и антиполярных смещений А-катионов, обусловленную трилинейным взаимодействием между соответствующими параметрами порядка. Установлено критическое влияние анионной подрешетки (тип аниона) на величину вторичных параметров порядка и, соответственно, на характер проявления атомных смещений в структуре перовскита. Получен Патент РФ на изобретение “Способ получения керамического элемента на основе оксидов висмута-цинка-ниобия”, который позволяет добиться улучшения диэлектрических характеристик керамики при понижении температуры спекания и сокращении продолжительности процесса спекания. Таким образом, заявленный в проекте план работ выполнен в полном объеме (фактически удалось значительно перевыполнить планируемые работы, как по показателям, так и по содержанию). По результатам работы по проекту на втором этапе получен один Патент РФ на изобретение “Способ получения керамического элемента на основе оксидов висмута-цинка-ниобия”, опубликовано три статьи Scopus/Web of Science (Crystals, Известия РАН: серия физическая, Ferroelectrics), подготовлено еще три статьи Scopus/Web of Science Q1.