Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

Abstract The structure and electrophysical characteristics of ceramic samples of LiNbO3 have been studied by the methods of probe microscopy and impedance spectroscopy, obtained on the base of highly dispersed, with a narrow particle size distribution, microcrystalline monophase lithium niobate powders. The dispersion of the real part of the permittivity e' was studied. The temperature dependences of e(T) and ct (T) was studied in the temperature range from room temperature to 800 K. The values of the static conductivity of LiNbO3 over the whole temperature range were determined. The enthalpies of activation of charge transport were estimated. The dependence of the properties of the ceramic material on the degree of dispersion of the initial powder charge of lithium niobate, was shown. Keywords: lithium niobate, ferroelectric, ceramics, dielectric permittivity, impedance spectroscopy, electrical conductivity, Young's modulus, microhardness. Ниобат литияLiNbO 3 (НЛ) является сегнетоэлектриком, который на протяжениимногих лет привлекает внимание специалистов интегральной и нелинейной оптики, акустоэлектроники, квантовой электроники, физики твердого тела [ 1 ­ 3]. Он все чаще находит применение как керамический функциональный материал. На основе высокоплотной пьезо- и сегнетоэлектрической керамики, полученной с применением микро- и нанокристаллических порошков НЛ, могут быть изготовлены сенсоры, детекторы ионизирующих излучений, микро- и наноэлектромеханические системы (MEMS/NEMS), актуаторы, использующие пьезоэлектрический или электростатический эффекты [4]. В этой связи даже небольшие изменения свойств НЛ становятся существенными, а их изучение — актуальным. Из высокочистого с содержанием микропримесей (в г/л) на уровне (1^2)10 -4 и менее, Та-0,008, фторидного ниобий содержащего раствора состава, г/л: Nb 2 0 5 — 127,4, F — 132,3 по технологической схеме, описанной в работе [5], был получен монофазный микрокристаллический порошок LiNbO 3 с соотношением [Li] / [Nb] = 1,04. Исследования, проведенные на сканирующем электронном микроскопе “SEM LЕO-420”, показали, что порошок LiNbO 3 представляет собой смесь конгломератов размером 50-140 мкм с удельной поверхностью 0,07 м 2 /г, состоящих из кристаллических частиц различной крупности с развитой поверхностью, для которых характерна сглаженная ограненность с нечетким проявлением габитуса. Для разрушения образовавшихся конгломератов порошок НЛ подвергали размолу. Методом отмучивания [ 6 ] были выделены фракции порошков LiNbO 3 различной размерности. В таблице 1 приведены результаты анализа удельной поверхности образцов НЛ, которую измеряли методом низкотемпературной адсорбции азота (БЭТ; FlowSorbII 2300; TriStar 3020 V1. 03). Данные свидетельствуют о значительном увеличении удельной поверхности образцов № 2, 3, 4 по сравнению с исходным порошком. Таблица 1 Удельная поверхность образцов LiNbO 3 Номер образца 1 2 3 4 Размер частиц, мкм Исходный порошок 5-10 < 5 < 3 Удельная поверхность, м2/г 0,07 2,27 4,67 5,26 Далее из микрокристаллических порошков по традиционной керамической технологии при температуре 1100 °С и времени спекания 3 ч были приготовлены керамические образцы НЛ. Для исследования микро- и наноструктуры керамик использовались сканирующий электронный микроскоп “SEM LEO 420” и программа Scan Master для анализа и математической обработки полученных при сканировании изображений. Механические свойства керамик НЛ изучались контактным методом с помощью зондового микроскопа- нанотвердомера “NANOSСAN” методом сравнительной склерометрии [7]. Для изучения диэлектрических свойств и проводимости на специально подготовленные керамические образцы НЛ магнетронным напылением наносились платиновые электроды. Измерения выполнялись на приборе “Solartron 1260” в диапазоне частот 0,1 Гц — 10 МГц в режиме ступенчатого нагрева. Используемая методика позволяет корректно разделить вклады различных физико­ химических процессов в измеряемые параметры и рассчитать значения статической удельной проводимости. В работе исследована дисперсия комплексного импеданса Z*(ro) сегнетоэлектрической (СЭ) керамики НЛ конгруэнтного состава в интервале температур от комнатной до ~ 800 K. В этой области температур НЛ находится в СЭ состоянии, фазовый переход в параэлектрическое состояние происходит при более высоких температурах, близких к температурам плавления. По измеренным Z и ф определялись действительная и мнимая составляющая искомых величин, характеризующих исследуемые объекты, такие как комплексная диэлектрическая проницаемость и комплексный импеданс (адмиттанс). Z"-Z' диаграммы для каждого образца во всем исследованном температурном диапазоне качественно подобны. На комплексных диаграммах импеданса для керамических образцов НЛ № 1, 2 вблизи Ткомн. обнаруживается единственных релаксационный процесс Дебаевского типа в виде дуги полуокружности. Пример подобной диаграммы импеданса приведён на рис. 1, а для образца № 2. Анализируя годографы импеданса можно выделить величину статической проводимости объёма образца (ю ^ 0 ), исключая, к примеру, поляризационную составляющую. С увеличением температуры происходит увеличение импеданса, что обусловлено потерей 613