Термодинамические, транспортные, электрические свойства и фазовые переходы функциональных сегнетоматериалов, включая композиционные и наноразмерные соединения

Перспектива широкого практического применения функциональных материалов и высокие требования, которые предъявляются к ним, требуют ясного понимания физических процессов, протекающих в них, и умения создавать новые материалы с заданными физическими свойствами. Поэтому целью данной работы является исследование природы и закономерностей поведения физических свойств функциональных сегнетоэлектрических материалов (мультиферроиков, сегнетопьезоэлектриков, релаксоров) в широкой области температур и фазовых переходов, а также возможностей управления этими свойствами с помощью внешних воздействий (температура, примеси, частоты, электрические и магнитные поля). В качестве основных объектов исследования выбраны наноструктурированные и поликристаллические сегнетопьезоэлектрики (многокомпонентные системы на основе оксидов Pb(ZrTi)O3, BaTiO3, PbNb2/3Mg1/3O3, NaNbO3 и др.) и мультиферроики (на основе BiFeO3, Pb(B1B2)FeO3 и др.). Будут синтезированы наноструктурированные материалы на основе оксидов ABO3 (BiFeO3, NiFe2O4 и др.), исследованы структуры и механизмы формирования их физических свойств, а также получены органо-неорганические композиты на базе PVDF/ ABO3 и др. для исследования их пьезокаталитической активности на предмет эффективного разложения органических загрязнителей. Керамические материалы на основе оксидных твердых растворов со структурой типа перовскита, благодаря своим превосходным свойствам и возможности варьирования их при изменении химического состава, находят широкое применение в современной функциональной электронике. Современное развитие микроэлектроники требует создания новых материалов с широким диапазоном физических свойств. Поэтому в настоящее время, активно разрабатываются, исследуются и предлагаются для применения новые перспективные соединения. К ним относятся нескольких основных групп оксидных соединений: материалы с нанополярной (сегнеторелаксоры) и нанокристаллической структурой, которые обладают более высокой чувствительностью по сравнению с обычными керамическими преобразователями, и магнитной структурой - мультиферроики, которые обладают одновременно магнитным и электрическим упорядочением. Современные исследования ряда мультиферроиков указывают на перспективность таких материалов для создания сенсоров магнитного поля, устройств записи/считывания информации, устройств спинтроники, СВЧ и других приборов. Следует отметить, что одними из перспективных направлений связано также с поиском новых сегнетоматериалов, перспективных для применений в охлаждающих устройствах (работающих на электрокалорическом эффекте) и в качестве пьезофотокатализаторов. В последние годы в России и за рубежом проводятся интенсивные исследования поликристаллических сегнетоэлектриков и мультферроиков на основе различных твердых растворов, тем не менее ясного понимания физических механизмов и однозначная интерпретация наблюдаемых явлений до настоящего времени не достигнута. Рассматриваемая нами область физики твёрдого тела находится в стадии развития, формируются и развиваются различные теоретические подходы и модели для объяснения физических свойств и фазовых переходов, а большинству практических приложений только предстоит появиться. Одними из наиболее перспективных материалов являются многокомпонентные системы на основе сегнетоэлектриков и мультиферроики на основе BiFeO3 и др., что в значительной мере связано с их высокими температурами сегнетоэлектрического и магнитного фазовых переходов. В последние время большое внимание уделяется проблеме создания нанокристаллических мультиферроиков и структур. Установлено, что наноматериалы обладают высокими значениями магнитных и сегнетоэлектрических характеристик и, соответственно, магнитоэлектрического эффекта. Важно отметить, что сегнетоматериалы также проявляют себя как перспективные пьезокатализаторы, в которых каталитическая активность сильно зависит от размера частиц, морфологии, кристалличности и химии поверхности. Создание композитных и легированных структур, показывает значительное улучшение каталитических свойств данных материалов [J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2012, 24, 1530; Physica B: Condensed Matter. – 2023. – V. 657. – P. 414788; Environmental Research. – 2023. – V. 216. – P. 114588.]. В большинстве исследований увеличение каталитической активности легированного материала сводится к появлению новых энергетических состояний в запрещенной зоне, сужению ширины запрещенной зоны и уменьшению размера частиц, что приводит к более эффективному разделению носителей заряда. Таким образом, получение, исследования структуры и закономерностей формирования физических свойств новых функциональных материалов мультиферроиков (объемных, композитных и тонкопленочных) и сегнетопьезоэлектриков и возможностей управления этими свойствами с помощью внешних воздействий (температура, примеси, частоты, электрические и магнитные поля) являются актуальными как в научном плане, так и в связи с потребностями создания перспективных высокоэффективных функциональных материалов.