Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры



Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры
Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры

 


Владельцы патента RU 2509716:

Сидоркин Александр Степанович (RU)
Поправко Надежда Геннадьевна (RU)
Рогазинская Ольга Владимировна (RU)
Миловидова Светлана Дмитриевна (RU)

Изобретение относится к способам синтезирования новых материалов с заданными электрофизическими характеристиками и может быть применено для создания функциональных материалов с управляемыми характеристиками для нужд современной микро- и наноэлектроники. Технический результат изобретения - расширение температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрических композитных материалах на десятки градусов. Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры, основанной на создании в композите эффекта внутреннего смещающего поля, заключается во внедрении сегнетоэлектрического материала, а именно триглицинсульфата, в пористую диэлектрическую матрицу с размерами пор порядка 10-100 нм. Внедрение производится из насыщенного водного раствора (расплава) сегнетоэлектрической соли, нагретого до температур, близких к температуре Кюри объемного сегнетоэлектрического материала, а величину внутреннего поля смещения, определяющего степень расширения температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы, варьируют за счет разности коэффициентов линейного расширения сегнетоэлектрика и материала матрицы, а также за счет общей площади взаимодействия сегнетоэлектрик - матрица, изменяемой путем выбора размеров и топологии пор матрицы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к способам синтезирования новых материалов с заданными электрофизическими характеристиками и может быть применено для создания функциональных материалов с управляемыми характеристиками для нужд современной микро- и наноэлектроники.

Известен способ получения сегнетоэлектрических структур на основе их монокристаллов путем внедрения в них примесей, приводящих к закреплению полярного состояния в определенных областях кристалла и, соответственно, к увеличению температуры фазового перехода (Levanyuk А.Р., Sigov A.S. Defects and Structural Phase Transitions. N.Y.: Gordon and Breach, 1988). Образование дефектной структуры в кристаллах при внедрении в них примесей замещения способствует закреплению спонтанной поляризации в отдельных областях объемного образца, то есть препятствует образованию симметричной парафазы выше температуры Кюри.

К недостатком данного способа относится невозможность создания достаточно высоких полей смещения, позволяющих изменять температуру фазового перехода на несколько градусов и более.

Известно, что воздействие подложки на виртуальный сегнетоэлектрик титанат стронция превращает его в реальный сегнетоэлектрик с достаточно высокой температурой фазового превращения (N.A.Pertsev, A.K.Tagantsev and N.Setter. Phase transitions and strain-induced ferroelectricity in SrTiO3 epitaxial thin films, Phys.Rev. В 61, R825-R829, 2000).

Однако указанный способ относится к тонкопленочным материалам.

Наиболее близким является способ получения сегнетоэлектрических тонких пленок с увеличенным интервалом существования сегнетоэлектрической фазы при уменьшении их толщины меньше нескольких десятков нанометров (Bai F. Destruction of spin cycloid in (111)c-oriented BiFeO3 thin films by epitiaxial constraint: Enhanced polarization and release of latent magnetization / F.Bai, J.Wang, M.Wutting, J.F.Li, N.Wang, A.Pyatakov, A.K.Zvezdin, L.E.Cross, D.Viehland // Appl. Phys. Lett. - 2005. - V.86. - №3. - P.032511(1-3)).

Наличие ограниченной площади соприкосновения пленки и подложки, а также заданная геометрия образца препятствует значительному расширению температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы, поскольку соотношение толщины пленки и площади границы пленка-подложка ограничивает максимальную величину внутренних полей смещения, закрепляющих поляризованное состояние материала.

Задачей заявляемого изобретения является получение функционального сегнетоэлектрического материала с заданными электрическими параметрами, в частности температурой сегнетоэлектрического фазового перехода.

Технический результат - расширение температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрических композитных материалах на десятки градусов.

Технический результат достигается тем, что в способе создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры, основанной на создании в композите эффекта внутреннего смещающего поля, закрепляющего поляризованное состояние сегнетоэлектрического материала и смещающего точку фазового перехода, согласно изобретению внедряют сегнетоэлектрический материал в пористую диэлектрическую матрицу с размерами пор порядка 10-100 нм, внедрение производится из насыщенного водного раствора (расплава) сегнетоэлектрической соли, нагретого до температур, близких к температуре Кюри объемного сегнетоэлектрического материала, а величину внутреннего поля смещения, определяющего степень расширения температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы, варьируют за счет разности коэффициентов линейного расширения сегнетоэлектрика и материала матрицы, а также за счет общей площади взаимодействия сегнетоэлектрик - матрица, изменяемой путем выбора размеров и топологии пор матрицы.

В качестве сегнетоэлектрического материала используют триглицинсульфат.

В качестве диэлектрической матрицы используют пористый оксид алюминия с системой симметрично расположенных изолированных пор со средним диаметром около 40 нм и плотностью распределения пор около 107 на см2 или пористое стекло со средним диаметром пор 7 нм и пористостью около 25%, пористая структура которого представляет собой трехмерную систему произвольно расположенных взаимосвязанных дендритных каналов.

Для получения смещения температуры сегнетоэлектрического фазового перехода в сторону низких температур необходимо добиться уменьшения степени взаимодействия сегнетоэлектрического материала с матрицей за счет выбора материала матрицы с наиболее близким к сегнетоэлектрику коэффициентом теплового расширения. В этом случае эффект деполяризующего поля, подавляющий сегнетоэлектрические свойства, будет превалировать над эффектом внутреннего поля смещения.

Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно расширение температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрических композитных материалах на десятки градусов, достигается за счет того, что сегнетоэлектрический материал и материал матрицы имеют различные коэффициенты теплового расширения, вследствие чего при нагревании на границе сегнетоэлектрик - матрица возникают деформации несоответствия, порождающие внутреннее смещающее поле. Указанный эффект оказывает существенное влияние на температуру сегнетоэлектрического фазового перехода при размерах сегнетоэлектрических частиц порядка 10-100 нм.

На фиг.1 изображена поверхность матрицы пористого оксида алюминия Al2O3 с системой симметрично расположенных изолированных пор со средним диаметром около 40 нм. На фиг.2 изображена поверхность матрицы пористого стекла с системой взаимосвязанных дендритных каналов диаметром 7 нм.

Способ осуществляется в результате внедрения сегнетоэлектрического материала в пористую диэлектрическую матрицу со средним диаметром пор до 100 нм. Внедрение производится из насыщенного водного раствора (расплава) сегнетоэлектрической соли, нагретого до температур, близких к температуре Кюри объемного сегнетоэлектрического материала. При охлаждении до комнатной температуры в течение нескольких суток сегнетоэлектрик кристаллизуется в порах матрицы. В результате формируется композитная структура, состоящая из отдельных либо взаимосвязанных сегнетоэлектрических частиц (кристаллитов) в диэлектрической среде. При нагревании происходит взаимодействие кристаллитов TGS с окружающей матрицей. Рассогласование кристаллических решеток наночастиц и матрицы приводит к возникновению деформаций несоответствия и связанных с ними напряжений, которые можно оценить формулой σ = E 1 ν T a n T a n T 0 ( a f a s ) d T , где Е - модуль Юнга сегнетоэлектрика, ν - его коэффициент Пуассона, af и as - коэффициенты линейного расширения кристаллитов и матрицы соответственно. Интеграл берется от температуры кристаллизации сегнетоэлектрических частиц в матрице до температуры измерений. Указанные напряжения за счет пьезоэффекта порождают внутреннее поле смещения, оцениваемое как E = 4 π d σ ε (здесь d - пьезомодуль), которое и приводит к сдвигу точки Кюри в высокотемпературную область.

Пример 1. Композитная структура TGS - Al2O3, синтезированная на основе пористой матрицы оксида алюминия со средним диаметром пор 40 нм и плотностью распределения 107 на см2. Пористая структура матрицы представляет собой систему симметрично расположенных по типу пчелиных сот изолированных цилиндрических каналов (фиг.1). При внедрении в поры триглицинсульфата формируются изолированные нанокристаллиты, симметрично расположенные относительно друг друга в диэлектрической среде. Смещение температуры фазового перехода для данного композитного состава достигает 15 К выше температуры Кюри объемного монокристалла триглицинсульфата (49°С).

Пример 2. Композитная структура TGS - SiO2, синтезированная на основе матрицы пористого стекла со средним диаметром пор 7 нм и пористостью около 25%. Пористая структура матрицы представляет собой трехмерную систему произвольно расположенных взаимосвязанных дендритных каналов (фиг.2). Таким образом, сегнетоэлектрические частицы, внедренные в матрицу такого типа, могут не только взаимодействовать друг с другом, но и образовывать кластерные структуры, свойства которых могут существенно отличаться от свойств изолированных частиц. Смещение температуры сегнетоэлектрического фазового перехода по указанному выше механизму в данном композите достигает 50-70 К выше температуры Кюри объемного монокристалла TGS.

1. Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры, основанной на создании в композите эффекта внутреннего смещающего поля, закрепляющего поляризованное состояние сегнетоэлектрического материала и смещающего точку фазового перехода, отличающийся тем, что внедряют сегнетоэлектрический материал в пористую диэлектрическую матрицу с размерами пор порядка 10-100 нм, внедрение производится из насыщенного водного раствора (расплава) сегнетоэлектрической соли, нагретого до температур, близких к температуре Кюри объемного сегнетоэлектрического материала, а величину внутреннего поля смещения, определяющего степень расширения температурного интервала существования сегнетоэлектрической фазы, варьируют за счет разности коэффициентов линейного расширения сегнетоэлектрика и материала матрицы, а также за счет общей площади взаимодействия сегнетоэлектрик - матрица, изменяемой путем выбора размеров и топологии пор матрицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сегнетоэлектрического материала используют триглицинсульфат.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической матрицы используют пористый оксид алюминия с системой симметрично расположенных изолированных пор со средним диаметром около 40 нм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической матрицы используют пористое стекло со средним диаметром пор 7 нм, пористая структура которого представляет собой трехмерную систему произвольно расположенных взаимосвязанных дендритных каналов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Порошкообразный хлорид металла или порошкообразную смесь по крайней мере двух хлоридов металлов обрабатывают в атмосфере водяного пара, который подают в реакционное пространство со скоростью 50-100 мл/мин, при температуре 400-800°C в присутствии активированного угля или при подаче в реакционное пространство оксида углерода(II), получаемого при разложении муравьиной кислоты HCOOH.

Изобретение относится к получению порошков для микроволновой техники и магнитооптики. Способ получения наноразмерного порошка железо-иттриевого граната включает приготовление водного раствора солей иттрия (III) и водного раствора солей железа (III).

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления полупроводниковых газовых сенсоров, предназначенных для детектирования паров ацетона в воздухе.
Изобретение может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях. Пористые частицы карбоната кальция формируют в результате реакции CaCl2+2NaHCO3→CaCO3↓+2NaCl+2H+, причем водный раствор квантовых точек, модифицированных избыточным количеством меркаптоуксусной кислоты, имеющей концентрацию 0,05-4 мг/мл, при интенсивном перемешивании приливают к 0,3 М раствору NaHCO3.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу диспергирования наноразмерного порошка диоксида кремния в жидкой среде. Может использоваться в качестве модифицирующей добавки в лакокрасочные материалы, бетоны, клеи для укладки плитки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемных наноструктурных материалов. Пористую металломатричную основу формируют путем спекания в состоянии свободной засыпки полиморфных порошковых материалов дисперсностью 1-10 мкм.
Изобретение относится к получению коллоидов металлов электроконденсационным методом. Может использоваться для создания каталитических систем, модификации волокнистых и пленочных материалов, например, для изготовления экранов защиты от электромагнитного излучения.

Изобретение относится к области медицины, в частности к фармакологии и фармацевтике, и касается противосудорожного средства, представляющего собой аминокислоту глицин, иммобилизованную на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, и способа его получения.
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для профилактики гнойно-воспалительных осложнений при использовании аппаратов внешней фиксации в процессе лечения пациентов в травматологии и ортопедии.

Изобретение может быть использовано в магнитной наноэлектронике для магнитных регистрирующих сред с высокой плотностью записи, для магнитных сенсоров, радиопоглощающих экранов, а также в медицине.

Изобретение относится к области нефтехимического аппаратостроения, а именно, к оборудованию установок для получения нефтяных битумов различных марок путем окисления нефтяного сырья, используемых в различных областях промышленности, а более конкретно для проведения тепломассообменных процессов получения олигомерного битума.

Группа изобретений относится к области молекулярной биологии и электрохимии. По первому варианту способ осуществляют путем регистрации циклических вольтамперограмм рабочего электрода, модифицированного углеродными нанотрубками с нековалентно иммобилизованным на их поверхности олигонуклеотидным зондом, до и после внесения в исследуемый раствор образца нуклеиновой кислоты и по изменению емкостной характеристики делают вывод о наличии или отсутствии в образце участка, комплементарного олигонуклеотидному зонду.

Изобретение относится к способу получения биосовместимого биодеградируемого композиционного волокна и к волокну, полученному таким способом. Способ получения волокна заключается в смешивании предварительно диспергированного в водной среде с рН 5-7 в ультразвуковом поле с частотой v=20-100 кГц в течение 5-60 мин гидросиликатного наполнителя с хитозаном в количестве, соответствующем его концентрации в растворе 1 - 4 мас.%, при этом количество наполнителя составляет 0,05 - 2% от массы хитозана.

Способ формирования серебряных наночастиц в стекле относится к технологии оптических материалов и может быть использован в интегральной оптике и биосенсорных технологиях.
Изобретение может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях. Пористые частицы карбоната кальция формируют в результате реакции CaCl2+2NaHCO3→CaCO3↓+2NaCl+2H+, причем водный раствор квантовых точек, модифицированных избыточным количеством меркаптоуксусной кислоты, имеющей концентрацию 0,05-4 мг/мл, при интенсивном перемешивании приливают к 0,3 М раствору NaHCO3.

Изобретение может быть использовано как добавка к бетонам, полимерам, существенно улучшающая их эксплуатационные свойства. Способ получения углеродного наноматериала включает предварительную подготовку сфагнового мха, в ходе которой его освобождают от инородных примесей, просушивают до влажности не более 10% и подвергают измельчению, затем измельченный материал подвергают пиролизу при температуре 850-950°C в течение 1-2 ч, охлаждают до комнатной температуры, после чего аморфный углерод, полученный в процессе пиролиза, подвергают механоактивации в варио-планетарной мельнице в течение 7-10 часов.
Клей // 2508306
Изобретение относится к области клеев на основе фенолоформальдегидных смол, которые могут быть использованы в металлургической, авиакосмической, автомобильной и других отраслях техники, где на клеевые соединения воздействуют умеренные (до 10-15 МПа) механические нагрузки и температуры от нормальной (20°C) до высокой (1100-1200°C) в инертной или слабокислой средах.

Изобретение может быть использовано в качестве модификаторов сплавов, в порошковой металлургии, при получении защитных покрытий, в производстве инструментов и катализе.
Изобретение относится к области очистки воды. В качестве средства для очистки воды используют объемный материал из стеклянных волокон диаметром от 100 до 400 нм с объемной плотностью 12-26 кг/м3.

Изобретение относится к изготовлению кардиоимплантатов из сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности с модифицированным ионно-плазменной обработкой поверхностным слоем, предназначенных для длительной эксплуатации в сердечно-сосудистой системе организма и обладающих коррозионной стойкостью, биосовместимостью и нетоксичностью в биологических средах.

Изобретение относится к механизированной дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов. Защитный газ вводят через ниппель и осевой канал инжектора в смесительную камеру. Создают разрежение в канале между смесительной камерой и накопителем для подсасывания наноструктурированных порошков из накопителя. Посредством защитного газа через дуговой промежуток порошок подают в сварочную ванну. Введение наноструктурированных порошков в сварочную ванну создает дополнительные центры кристаллизации образования зерна микроструктуры металла сварного шва. Это позволяет повысить долговечность и эксплуатационную надежность сварных соединений. 1 ил., 1 табл.
Наверх