Физика/2. Физика твердого тела

Смирнов Н. А., Настулявичус А.А.

Череповецкий государственный университет

Изучение фазовых переходов в сегнетоэлектриках

Сегнетоэлектрики широко используются в различных областях науки и техники. Наблюдающиеся в них физические явления, такие как большая диэлектрическая проницаемость, ее зависимость от электрического поля, огромный пьезо- и пироэлектрический эффекты, делают сегнетоэлектрические материалы привлекательным объектом для разнообразных применений, особенно для создания высокочувствительных сенсорных элементов различного назначения.

В данной работе были изучены фазовые переходы титаната бария BaTiО₃. Главной характеристикой фазовых переходов является температура перехода, которая в свою очередь может зависеть от других факторов: давления, внешнего электрического или магнитного поля, процентного содержания вносимого вещества.

Целью работы являлось исследование фазового перехода титаната – цирконата бария Ba(Ti_1-x Zr_x )O₃ c разными долями циркония и выявлением зависимости температуры фазового перехода от процентного содержания примеси циркония. Исследовались образцы Ba(Ti_1-x,Zrx)O₃, с атомным содержанием циркония x=0,1; 0,125; 0,175; 0,2 и дубликатом 0,125%, то есть составы, находящиеся в сегнетоэлектрической фазе при комнатной температуре. Этот состав имеет фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, который и является предметом исследования в данной работе. Для исследований была собрана экспериментальная установка. Одной из основных частей установки является нагревательная печь. Печь изготовлена из стеклянной трубки диаметром порядка 16 мм, на которую плотно намотан нихромный провод. Для нагревания печи к концам провода подводится переменный электрический ток от источника тока В-24м. Трубка выбрана из молибденового стекла, способного переносить высокие температуры. С одного конца трубки находится хромель-алюмелевая термопара (К типа) и жестко фиксируется асбестовой пробкой, эта пробка выполняет ещё и роль экрана для предотвращения тепловых потерь. С другого конца трубки помещали исследуемый образец, закрепленный на специальном держателе. Держатель состоит из керамической трубки, в которую вмонтированы два платиновых стержня таким образом, что образец ими зажимается и фиксируется. Отводы контактов держателя присоединяются к измерителю ёмкости L.C.R E7-8. Этот прибор, позволяет измерять ёмкость с точностью до 0,01 пкФ.

Для сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими был применен программный комплекс MK-ORDER, который был создан в Череповецком государственном университете для компьютерного моделирования молекулярных систем методом Монте-Карло.

При выполнении моделирования выбирается модель, которая определяется химическим строением вещества и его структурой, а также параметры, определяемые природой связи между частицами. При сопоставлении экспериментальных данных и результатов, полученных с помощью моделирования, можно протестировать правильность выбранной модели, а также определить микроскопические параметры рассматриваемой системы. На рис. 1 приведены экспериментальные, а также вычисленные с помощью компьютерного моделирования зависимости диэлектрической проницаемости BaTiO₃ от температуры.

Рис.1 Зависимость восприимчивости BaTiO₃ от температуры: 1- вычисления с помощью компьютерного моделирования, 2- эксперимент

По экспериментальным данным было установлено, что все составы при достижении определенной температуры испытывают фазовый переход из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую. По совпадению теоретических и экспериментальных данных можно предположить о правильном выборе структуры вещества.