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

При поиске новых материалов для твердотельной электроники заметный интерес вызывают структуры, в которых сочетаются принципиально различные свойства (магнитные, пьезоэлектрические, сегнетоэластические и др.). Причиной является практически полное использование возможностей существующих химических основ и существенных трудностей при реализации различных опций в материалах, представляющих собой их композицию. Если на базе одного химического состава удается совместить несколько функциональных возможностей, то материал сразу приобретает конкурентные преимущества в сфере своего применения. К таким объектам относятся сегнетомагнетики — среды, в которых одновременно присутствуют два типа упорядочения (магнитное и сегнетоэлектрическое). Сегнетомагнитные вещества обладают свойствами каждого из классов по отдельности: спонтанная поляризация, пьезоэлектрический эффект, спонтанная намагниченность, магнитострикция. В то же время в них проявляется ряд свойств, обусловленных взаимодействием электрической и магнитной подсистем, в частности магнитоэлектрический и магнитодиэлектрический эффекты. Это позволяет, например, разрабатывать магнитоэлектрические преобразователи, в которых будут отсутствовать потери на вихревые токи, снизятся омические потери, приводящие к разогреву элементов. Одним из наиболее изученных представителей класса сегнетомагнетиков является феррит висмута BiFeO 3 (BFO). BFO характеризуется высокими температурами сегнетоэлектрического (Тс = 810 °С) и антиферромагнитного (Ты = 370 °С) переходов, низкой электропроводностью и относительно простой кристаллической структурой. Проблемой, из-за которой применять BFO пока не представляется возможным, является существование в его структуре спиновой модуляции, несоразмерной периоду элементарной ячейки, которая приводит к исчезновению макроскопических магнитных свойств. По мнению ряда авторов [1, 2], модифицирование структуры BFO путем замещения некоторого количества ионов висмута на ионы редкоземельных элементов (РЗЭ) должно провоцировать разрушение спиновой модуляции. В процессе модифицирования BFO в керамических объектах происходят изменения кристаллической структуры, мезоструктурного упорядочения, существенно изменяется микроструктура и ряд макроскопических свойств материала. Цель предпринятого исследования — выявление закономерностей эволюции структуры керамик BFO на различных масштабных уровнях при их модифицировании РЗЭ. Получены серии керамических образцов номинальных составов Bi 1 -xAxFeO3, где A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu в пределах 0,00 < x <0,50, с различным концентрационным шагом Ах для разных модификаторов и областей х. При модифицировании элементами с наибольшими ионными радиусами: La, Pr, Gd в области 0,20 < х <0,50 шаг А х составлял 0,10, в областях 0,000 < х <0,075 и 0,150 < х <0,200 А х = 0,025, в области 0,090 < х <0,150 Ах = 0,010. Для остальных модификаторов А х = 0,050. Керамики были изготовлены путем твердофазного синтеза с последующим спеканием по обычной керамической технологии. Синтез ТР осуществлялся методом твердофазных реакций оксидов высокой чистоты. Режимы синтеза: температура первого обжига Ti = 800 °С, второго Т 2 = 800-850 °С. Времена изотермических выдержек Ti = 10 ч, Т 2 = 5 ч. Производился подбор оптимальных температур спекания (Тсп) из интервала 900-950 °С. Режимы спекания выбирались такие, при которых плотность керамических образцов была максимальной. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре «ДРОН-3» (СоКа-излучение). Определялись фазовый состав, параметры кристаллической ячейки наблюдаемых фаз, теоретический (V) и экспериментальный (V™) объемы ячейки, рассчитывались рентгеновская (px-ray) и относительная (prei.) плотности. Выявлялись модуляции структуры. Микронапряжения Ad/d рассчитывались аналитически методом аппроксимации. Исследования элементного состава выполнены методом электронно-зондового микроанализа на модернизированном растровом электронном микроскопе Камебакс-микро с WDS-аналитической системой. Зерна керамик наблюдались на оптическом микроскопе “DMI5000 M” в режиме отраженного света с увеличением от 200х до 1000х. Микроструктура выявлялась термическим травлением. Черно-белые фотографии поверхности объектов подвергались компьютерной обработке, в результате которой выявлялась очищенная от посторонних шумов сетка сечений границ зёрен керамики. Расчеты проводились по ячейкам, приходящимся на границы зерен образцов. Этим ячейкам присваивались единичные значения веса. Спектры обобщенных размерностей (размерностей Реньи) Dq и /(а)-спектры определялись согласно стандартной интерпретации мультифрактального формализма [3] как соотношения (1) — (4), где {ц,} — мера, генерируемая при равноячеечном разбиении евклидового пространства, охватывающего исследуемый объект, на ы ячеек размера е с выполнением условия (5). N q йт (1) a (q ) =— (2) f ( а ) = q a - т (3) ln & M q T ( q ) = lim— ---- dq ln е D = T (4) £ * = 1 (5) n _ ц ^ ) ( 6 ) ln е q q -1 D1= lim ^ /=1 1 ln(A-) N 759