ТРАНСПОРТНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ENVIRONMENTAL VEHICLES
ЛИТИЙ-ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ
LITHIUM-ION CURRENT SOURCES AND SUPERCAPACITOR
Статья поступила в редакцию 02.04.15. Ред. рег. № 2221
The article has entered in publishing office 02.04.15. Ed. reg. No. 2221
УДК 548.0:537.226
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ
1 2 Л.Н. Короткое , Т.Н. Короткова
'Воронежский государственный технический университет 394026, Воронеж, Московский пр., д. 14 E-mail: l_korotkov@mail.ru 2Воронежский институт МВД России 394065, Воронеж, пр. Патриотов, д. 53 E-mail: tn_korotkova@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 06.04.15 Заключение совета экспертов: 10.04.15 Принято к публикации: 14.04.15
Рассмотрены процессы диэлектрической релаксации в различных классах неупорядоченных полярных диэлектриков: релаксорных сегнетоэлектриках, дипольных стеклах, сегнетоэлектрических полимерах, матричных композитах и аморфных телах на основе полярных диэлектриков. Обсуждаются основные механизмы, дающие вклад в релаксационную поляризацию.
Ключевые слова: диэлектрическая релаксация, релаксорные сегнетоэлектрики, дипольные стекла, полярные полимеры, аморфные материалы, кристаллизация, нанокомпозиты.
DIELECTRIC RELAXATION IN DISORDERED POLAR DIELECTRICS
L.N. Korotkov1, T.N. Korotkova2
'Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia E-mail: l_korotkov@mail.ru 2Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia 53 Patriotov ave., Voronezh, 394065, Russia E-mail: tn_korotkova@mail.ru
Referred: 06.04.15 Expertise: 10.04.15 Accepted: 14.04.15
Processes of dielectric relaxation in different types of disordered polar dielectrics such as: relaxor ferroelectrics, dipole glasses, ferroelectric polymers, matrix composites and amorphous solids are described. Fundamental mechanisms, which give main contribution to relaxation polarization, are discussed.
Keywords: dielectric relaxation, relaxor ferroelectrics, dipole glasses, amorphous solids, crystallization, nanocomposites.
№ 06 (170) Международный научный журнал
Леонид Николаевич
Коротков Leonid N. Korotkov
Татьяна Николаевна
Короткова Tatiana N. Korotkova
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры физики твердого тела Воронежского гос. технического университета
Образование: Воронежский политехнический институт (1984). Область научных интересов: физика конденсированного состояния. Публикации: более 100.
Information about the author: doctor of physical and mathematical sciences, the professor, the professor of the Voronezh state technical university.
Education: Graduated the Voronezh polytechnic institute (1984). Research area: solid state physics. Publications: more than 100.
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент кафедры физики Воронежского института МВД России.
Образование: Воронежский гос. университет (1983).
Область научных интересов: физика конденсированного состояния.
Публикации: более 30.
Information about the author: candidate of physical and mathematical sciences, docent, docent of Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia. Education: Graduated the Voronezh State University (1983). Research area: solid state physics. Publications: more than 30.
Введение
В последние годы в физике твердого тела существенно возрос интерес к частично или полностью неупорядоченным материалам. Это связано с тем, что физика упорядоченных систем в значительной мере уже разработана, тогда как физика неупорядоченных конденсированных сред находится в начале своего развития, которое стимулируется большой практической значимостью неупорядоченных материалов. К таковым следует отнести аморфные тела, полученные на основе сегнетоэлектриков, аморфно-кристаллические сегнетоэлектрические полимеры, композиты, содержащие полярные диэлектрики и др. [1].
Объектами пристального внимания исследователей стали сегнетоэлектрики (СЭ) с существенно размытым фазовым переходом (релаксоры) [2, 3] и ди-польные стекла (ДС) [3, 4]. Эти соединения являются типичными параэлектриками в высокотемпературной фазе, однако ниже температуры перехода в ре-лаксорное состояние или состояние ДС они демонстрируют свойства, являющиеся универсальными для стеклообразных систем, в том числе канонических стекол. Прежде всего, это длительные релаксационные процессы (релаксация поляризации, диэлектри-
ческой восприимчивости, упругих модулей и т.д.), а также существенная зависимость ряда физических свойств от условий перехода в низкотемпературное неэргодическое состояние.
Релаксорные СЭ, дипольные стекла, аморфные и аморфно-кристаллические тела, а также сегнетоэлек-трики, входящие в состав композитов, представляют собой существенно неравновесные системы. Это обстоятельство затрудняет изучение равновесных свойств данных объектов и делает проблему изучения динамики перехода в стеклоподобное состояние наиболее актуальной для физики неупорядоченных полярных диэлектриков.
Весьма эффективными методами решения этой проблемы являются релаксационные методы исследования твердых тел, значительный вклад в развитие которых был внесен профессором В. С. Постниковым [5].
Цель данной работы - рассмотреть основные типы релаксационных процессов, присущих различным классам неупорядоченных полярных диэлектриков.
(Примечание. В этой статье мы умышленно не затрагиваем релаксационные процессы, связанные с динамикой доменов, обстоятельно описанные в литературе [5, 6]).
№ 06 (170) Международный научный журнал
Объекты исследования
Сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом (релаксоры) Примером сегнетоэлектрической системы с размытым фазовым переходом являются твердые растворы (1-х)[0,7РЪ2Ю3-0,3К0,5В10,5ТЮ3]-х8гТЮ3, образцы которых и были использованы как один из объектов для исследования. Фазовая Т-х диаграмма системы (рис. 1) была построена по результатам рентгеновских и диэлектрических исследований [7, 8]. Видно, что с увеличением содержания титаната стронция происходит понижение средней температуры СЭ фазового перехода Тт. Вблизи концентрации хм ~ 0,25 наблюдается четкий минимум на кривой ТС(х), типичный для систем с морфотропной границей фаз [9].
Рис. 1. Фазовая Т-х диаграмма системы (1 -х)[0,7рь7г0з-0,3(к0,5в10,5)тЮз]-х8гтЮз. C - кубическая, Rh - ромбоэдрическая и T - тетрагональная фазы [8] Fig. 1. T-x phase diagram of (1-х)[0,7РЬ7г0з-0,3(К0,5В10,5)ТЮз]-х8гТ10з solid solution. Symbols C, Rh and T denote the cubic, rhombohedral and tetragonal phases, respectively [8]
Для составов с концентрацией 8гТЮ3 х > 0,7 следует ожидать быстрого понижения ТС вплоть до полного исчезновения СЭ фазового перехода при некотором критическом значении х [10]. Температура Бернса Та определялась как температура, ниже которой происходит отклонение температурной зависимости диэлектрической проницаемости е'(Т) от закона Кюри - Вейсса [2]
е' = е^ + Ccw/(T - 0),
(1)
Согласно [2, 11] в параэлектрической матрице ре-лаксорного СЭ при температурах ниже Та возникают области полярной фазы и система таким образом становится гетерофазной. Это состояние, которое во многих случаях сохраняется вплоть до самых низких температур, является причиной долговременной релаксации поляризации.
Дипольные стекла типа K1-x(NH4)xH2PO4
Удобным объектом для изучения свойств ди-польных стекол являются смешанные кристаллы сегнетоэлектрика-антисегнетоэлектрика (СЭ-АСЭ) семейства дигидрофосфата калия К1-х(КИ4)хИ2РО4 (КЛЭР-х%), для которых естественно ожидать возникновения состояния ДС вследствие конкуренции СЭ-АСЭ взаимодействий. (Впервые состояние ДС было обнаружено и исследовано Коуртенсом в системе КЪ!-х(КН4)хН2РО4 [12].)
Родительские соединения - КН2РО4 и МИ4И2РО4 при комнатной температуре имеют тетрагональную кристаллическую структуру, класс 42т, 142ё [13].
В КН2РО4 с понижением температуры реализуется СЭ фазовый переход, и ниже точки Кюри (ТС) симметрия понижается до ромбической, класс тт2, Fdd2. Фазовый переход приводит к возникновению спонтанной поляризации, вектор которой направлен параллельно оси с.
В АСЭ соединении МИ4И2РО4 ниже точки фазового перехода решетка становится ромбической, класс 222, Р212121. В низкотемпературной фазе преимущественно реализуются четыре протонных, так называемых боковых конфигурации И2РО4, которым соответствуют две пары антипараллельных диполь-ных моментов, лежащих в плоскости аЬ.
где 0 - температура; Сот - константа Кюри - Вейсса; е^ - не зависящая от температуры составляющая е'.
Рис. 2. Фазовая Т-х диаграмма системы K1.x(NH4)xH2PO4 [14] Fig. 2. T-x phase diagram of K1-x(NH4)xH2PO4 system [14]
№ 06 (170) Международный научный журнал
Фазовая Т-х диаграмма системы КЛОР изображена на рис. 2 [14]. Сплошными линиями показаны границы фаз, установленные экспериментально, а пунктиром -предполагаемые границы фаз. Линия Т соответствует температурам, ниже которых начинает формироваться состояние ДС. Составы с х < 0,20 ~ хР при понижении температуры претерпевают СЭ фазовый переход.
В кристаллах с концентрацией 0,20 < х < 0,70 ~ хА наблюдается переход в состояние дипольного стекла. В составах с концентрацией 0,70 < х < 1 реализуется переход в АСЭ фазу. Заштрихованная область на фазовой диаграмме соответствует гетерофазному (релаксорному) состоянию.
Аморфные материалы
на основе титаната и феррониобата свинца
Среди слабо упорядоченных СЭ наибольшей степенью разупорядочения обладают аморфные и аморфно-кристаллические материалы, полученные на основе полярных диэлектриков путем закалки из жидкой фазы или иным способом [15]. Они являют собой новый класс конденсированных сред, физические свойства которых пока мало изучены, несмотря на то, что сообщения о них появились около сорока лет тому назад [16-19].
Наибольшее количество публикаций, известных к настоящему времени, посвящено исследованиям ти-таната свинца (РЪТЮ3) в его аморфной и кристаллической модификациях. Это связано с тем, что РЪТЮ3 имеет высокое значение дипольного момента, приходящегося на элементарную ячейку, что позволяет ожидать [16] сильного дипольно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.