ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 11, № 2, 2015, стр. 17-22
ФИЗИКА
УДК 537.226.4 538.956
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И АНТИСЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ
© 2015 г. А.Г. Абубакаров1, Ю.М. Нойкин2, М.Б. Мануилов2, В.В. Гершенович1, И.А. Вербенко1, Л.А. Резниченко1
Поступила 06.02.2015
Двухстадийным твердофазным синтезом с последующим спеканием по обычной керамической технологии приготовлены твердые растворы бинарной системы №1_ХЬ1ХЫЪ03 (х = 0,00-0,14, Дх = 0,01), в которой №№03 - антисегнетоэлектрик с температурой Кюри (Тк) = ~370 °С, а LiNb03 - сегнетоэлек-трик с Тк = ~1200° С, и изучены их диссипативные характеристики в диапазоне частот (1,0-9,0) ГГц. Показано, что максимальные величины поглощения СВЧ-энергии электромагнитного излучения в бинарной системе твердых растворов состава содержащей фазовые переходы различной природы, наблюдаются, как правило, вблизи фазовых границ. Высказано предположение о том, что это связано с развитием дефектной ситуации в соответствующих средах за счет разрыва химических связей при перестройках структуры, накопления вакансий и примесных фаз, увеличения количества межфазных границ. Сделано заключение о возможности использования данных материалов при разработке новых функциональных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности, использующих СВЧ-технологию, в частности для защиты радиоприемной аппаратуры связи от внешних электромагнитных помех, а также для создания компонентов электронной техники, в том числе по интегральной технологии.
Ключевые слова: сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, керамика, СВЧ.
ВВЕДЕНИЕ
Создание функциональных (интеллектуальных) материалов, способных обеспечить снижение за-метности (радиолокационной контрастности) военных и приоритетных гражданских объектов в широком диапазоне длин волн, - одна из основных задач, направленных на разработку фундаментальных основ прорывных технологий двойного назначения в интересах национальной безопасности Российской Федерации, на создание инновационных технологий и производства высокотехнологичной продукции военного, специального и двойного назначения [1]. Основой многих из таких материалов высокочастотной радиоэлектроники являются сегнетоэлектрические (СЭ) и антисег-нетоэлектрические (АСЭ) твердые растворы (ТР) бинарных и многокомпонентных систем, содержащих морфотропные границы, разделяющие струк-
1 Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета (Research Institute of Physics, Southern Federal University), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194.
2 Южный федеральный университет (Southern Federal Uni-
versity), 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, e-mail: abuba-
karov12@mail.ru
туры разной симметрии, в окрестности которых, в силу многообразия фазового наполнения областей, ими ограниченных (морфотропных областей, МО), СВЧ-поглощение электромагнитных излучений (ЭМИ) максимально [2-9]. Кроме уже указанных применений радиопоглощающие материалы востребованы в приборостроении (для поглощения ЭМИ в СВЧ-трактах радиоизмерительной аппаратуры, для создания безэховых камер и испытательных стендов при конструировании антенной аппаратуры); в производствах, связанных с необходимостью защиты персонала от вредного воздействия ЭМИ; в бытовой технике.
В последнее время в материаловедении акцент сделан на "зеленые" технологии - разработку целевых материалов, не содержащих токсичные элементы, прежде всего свинец [10; 11]. Это связано с тем, что свинец относится к числу чрезвычайно токсичных элементов и возглавляет перечень приоритетных особо вредных веществ 1-го класса опасности. Его антропогенная эмиссия в наши дни превысила природную, а технофильность составила 2 • 109. Соединения свинца относятся к ядам с кумулятивным действием, накопление которых в организме человека оказывает отравляющее воздействие,
приводя к поражению практически всех жизненно важных органов, центральной и периферической нервной системы, крови, кожи и т.д. В связи с этим актуальным становится исключение агрессивных элементов из состава химических композиций, что подтверждено введением Евросоюзом новой законодательной базы [12].
Именно поэтому особое внимание исследователей обращено на бессвинцовые композиции [13; 14], в том числе на основе АСЭ ниобата натрия №№03. Учитывая, что диссипативные характеристики таких материалов существенным образом зависят от термодинамической предыстории (условий получения), целью настоящей работы явилось установление закономерностей формирования спектров СВЧ-поглощения в поляризованных и не-поляризованных образцах ТР системы №1-хЪ1с№03 (0,00 < х < 0,14), полученных по керамической технологии с применением извне приложенного давления (горячее прессование ГП) и без него (обычная керамическая технология ОКТ) [15].
ОБЪЕКТЫ. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗЦОВ
В качестве объектов исследования выступили ТР бинарной системы №1-хЬ1с№03 (х = 0,00-0,14, Ах = 0,01), в которой №№03 - это АСЭ с температурой Кюри Тк = ~370 °С, а LiNb03 - это СЭ с Тк = ~1200 °С. Твердые растворы синтезированы методом твердофазных реакций из соответствующих оксидов и карбонатов обжигом в две стадии, с промежуточным помолом, при температурах Т1 = (850-880) °С, Т2 = 870 °С и времени изотермических выдержек х1 = х2 = 6 час. Керамические объекты спекали в виде столбиков при температурах (1190-1200) °С в зависимости от состава в течение 2 часов. В дальнейшем все столбики подвергались резке и шлифовке с целью получения
Gl
Порт 1 Порт 2
а
XW1
^ Б
D
+ AI +
с
Рис. 1. Измерительная установка Е8363В
Рис. 2. Принципиальная схема измерительной установки Е8363В
образцов в виде дисков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм.
Для экспериментального исследования диссипа-тивных свойств изготовленных материалов в диапазоне частот 1,0-11,0 ГГц использовалась установка на основе анализатора цепей Е8363В 10 Hz-40 GHz Series PNA Network Analyzer Agilent Technologies (США). На рисунках 1-4 показаны измерительная установка Е8363В и ее принципиальная схема, микрополосковая линия (МПЛ) и расположение на ней исследуемого образца. Образец помещают на 50-омную МПЛ в том месте, где высокочастотное электрическое поле максимально. Отрезок МПЛ с исследуемым образцом можно рассматривать как линейный взаимный (обратимый) симметричный четырехполюсник.
В качестве основного параметра, характеризующего СВЧ-поглощение ЭМИ объектами исследования, выбран элемент матрицы рассеяния S21, введенной специально для анализа СВЧ-цепей [16]. Методика его определения основана, как сказано выше, на представлении МПЛ в виде четырехполюсника [17], при этом для определения элемента S11 необходимо измерить модуль и фазу коэффициента отражения от входа исследуемого четырехполюсника при включении на выходе его согласованной нагрузки:
S11 = | S„|eÄ1. (1)
Элемент S22 определяют аналогичным способом, но при обратном включении четырехполюсника:
S°22 = |S22 le^22. (2)
Для определения элементов S21b S12 нужно измерить комплексные коэффициенты передачи четырехполюсника при прямом и обратном включениях и их фазы:
lS121= lS21 |, argS12 = argS21. (3)
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЭ- И АСЭ-КОМПОЗИЦИИ
7
19
Рис. 3. Микрополосковая линия
Рис. 4. Расположение исследуемого образца на МПЛ. 1 - исследуемый образец, 2 - МПЛ
-АО
Рис. 5. Спектры поглощения СВЧ-мощности неполяризованных образцов твердых растворов системы ^^^У^ЫЪО^ Здесь и на рис. 6: х = 0 (1); 0,01 (2); 0,02 (5); 0,03 (4); 0,04 (5); 0,05 (6); 0,06 (7); 0,07 (5); 0,08 (9); 0,09 (10); 0,10 (11); 0,11 (12); 0,012 (13); 0,013 (14); 0,014 (15)
О -2 -4 -6 -8 -10 -12
О -2 -4 -6 -8 -10 -12
521, дБ
ДБ
■$21, ДБ
-2 -4 -6 -8 -10 -12
9 12
/,ГТц
Рис. 6. Спектры поглощения СВЧ-мощности поляризованных образцов твердых растворов
_1 системы
9 12
/,ГГц
Для линейного взаимного четырехполюсника в соответствии с формулами (3)
Я12 = ¿21= к„ере^ер, (4)
где к - коэффициент передачи четырехполюсника при прямом и обратном включениях и их фазы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунках 5, 6 представлены спектры поглощения СВЧ-мощности поляризованных и не-поляризованных образцов ТР системы, а на рисунке 7 - фазовая диаграмма системы с нанесенными зависимостями 521(х) поляризованных образцов с различной термодинамической предысторией (фазовая диаграмма дана в соответствии с [18].
Из рисунков 5 и 6 хорошо видно, что представленные спектры немонотонны, с максимума-
ми резонансного типа в интервале (6-10,5) ГГц. При этом экстремальные значения ¿21 характерны для неполяризованных ГП-образцов (за исключением АСЭ №№03, имеющего рекордное значение ¿21 ~ 40 дБ в обычно спеченной керамике), "располагающихся" на фазовой диаграмме в окрестности структурных неустойчивостей различной природы, сопровождающихся антисегне-то- и сегнетоэлектрическим переходом (на рис. 7 это переход 1 ^ 7), изменением мультиплетнос-ти ячейки (на рис. 7 это переход 3 ^ 8), ее симметрии (на рис. 7 это сложный переход 10 ^ 11 ^ 12), и изоморфных типов твердых растворов (внедрение - замещение, на рис. 7 это переходы 5 ^ 9 ^ 14 ^ 15).
Последним свойственна повышенная дефектность соответствующих ТР (за счет разрыва химических связей при перестройках структуры, накопления вакансий, примесных фаз, увеличения количества межфазных границ [19; 20]), способствующая усилению СВЧ-поглощения.
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЭ- И АСЭ-КОМПОЗИЦИЙ
21
^21, дБ
0,00
0,05
0,10
0,15 л:
Рис. 7. Фазовая диаграмма системы №1-хЫхЫЬ03 (1 - антисег-нетоэлектрическая фаза; 2, 4, 6, 11, 12, 16, 17 - морфотропные области; 3 - ромбическая с учетверённой (М4); 8, 13 - или удвоенной (М2) ячейками; 5 - Твн - ТР внедрения; 7 - сегне-тоэлектрическая фаза; 9, 14, 15 - ТРзам - ТР замещения различного типа; 10 - Рэ (ромбоэдрическая фаза)) с нанесёнными зависимостями 521(х) образцов с различной термодинамической предысторией (А - ОКТ - неполяризованные образцы, Б - ГП - неполяризованные образцы)
ВЫВОДЫ
1. В бинарной системе ТР состава №1-хЬг^Ь03, содержащей фазовые переходы различной природы, максиму
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.