Физики обнаружили связь между необычными свойствами сегнетоэлектрических релаксоров, в частности его диэлектрической проницаемости и электромеханических характеристик, с локальным порядком кристаллической структуры. Ученые проанализировали материалы с помощью нейтронного и рентгеновского рассеяния и обнаружили, что возникающие в спектрах необычные элементы связаны со смещением атомов кислорода относительно их равновесных позиций за счет локальных антиферроэлектрических и сегнетоэлектрических взаимодействий. Именно из-за этого у релаксоров появляются, например, пьезоэлектрические свойства, пишут ученые в Nature Materials.
Релаксоры — один из наиболее необычных типов сегнетоэлектрических материалов. Как и в других кристаллах с сегнетоэлектрическими свойствами, при понижении температуры в релаксорах спонтанно возникает электрическая поляризация и появляется выраженная доменная структура, однако переход в такое состояние происходит переход не скачком, а размазан по температуре. Одна из причин этих необычных свойств — сложная кристаллическая структура материала, в которой чередуются области, отличающиеся между собой по химическому составу и степени упорядоченности. Например, в одном из недавних исследований физики показали, что эти области не имеют четких границ, а переход между ними обладает градиентной структуру, что и приводит к растягиванию поляризации по температуре.
Физики из США, Канады и Китая под руководством Дэниела Фелана (Daniel P. Phelan) из Аргоннской национальной лаборатории обнаружили, что необычное локальное упорядочение в кристаллической структуре сегнетоэлектрических релаксоров влияет и на другие их физические свойства, в частности на диэлектрическую проницаемость и способность менять свои механические свойства под действием электрического тока. Стоит отметить, что диэлектрические и электромеханические свойства релаксоров уже неоднократно пытались связать с локальной структурой и химическим составом этих материалов, однако из-за большого разнообразия вариантов структуры эти данные оставались довольно противоречивыми.
В своей работе ученые исследовали один из наиболее типичных представителей этого класса материалов — релаксор на основе свинца, который имеет структуру перовскита и состоит из двух фаз: смешанного титаната-ниобата состава PbTi1/3Nb2/3O3 и чистого титаната свинца PbTiO3. С помощью методов нейтронного и рентгеновского рассеяния физики изучили несколько материалов с различным соотношением фаз и обнаружили в них четыре возможных способа упорядочения.
В зависимости от фазового состава атомы кислорода и катионы металлов могут смещаться относительно своих начальных позиций в кристаллической решетке, что может отражаться, с одной стороны на физических свойствах материала, а с другой — проявляются в виде особых структур на картинах рассеяния. Один из наиболее характерных для релаксоров типов элементов на этих двумерных спектрах — структура в форме бабочки, которая соответствует асимметричному смещению атомов кислорода в решетке.
По словам авторов работы, во время предыдущих попыток исследовать структуру релаксоров с помощью нейтронного рассеяния удавалось получить информацию лишь о нескольких зонах Бриллюэна и зафиксировать эту асимметрию не удавалось. Авторам работы удалось связать полученные особенности спектра с физическими свойствами релаксоров, в результате чего они выяснили, что «бабочки» на спектрах не связаны с аномальной диэлектрической проницаемостью материалов, как считалось ранее. Кроме того, ученые показали, что электромеханические свойства материалов, важные для их дальнейшего использования (например, в качестве пьезоэлементов) определяются совместным действием как минимум двух типов сил: антиферроэлектрического локального взаимодействия и тех сил, которые приводят к сегнетомагнитному упорядочению. Именно эти взаимодействия между атомами в искаженной кристаллической структуре приводят к появлению у релаксоров пьезоэлектрических свойств.
Физики отмечают, что пока им удалось лишь связать карту рассеяния с электромеханическими свойствами, однако какие конкретно изменения в кристаллической структуре соответствуют этим изменениям, установить не удалось. В дальнейшем ученые планируют более детально связать эти изменения с составом материала и разработать способ для управления пьезоэлектрическими свойствами и диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрических релаксоров — как для материалов на основе свинца, так для менее токсичных составов с аналогичными свойствами.
Возможные способы применения сегнетоэлектрических релаксоров не ограничиваются использованием их пьезоэлектрических свойств. Например, недавно американские физики создали из пленки релаксора толщиной 150 нанометров пироэлектрический материал, который способен преобразовывать тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия.
Александр Дубов