RU2509716C2 - Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры - Google Patents
Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры Download PDFInfo
- Publication number
- RU2509716C2 RU2509716C2 RU2012124892/28A RU2012124892A RU2509716C2 RU 2509716 C2 RU2509716 C2 RU 2509716C2 RU 2012124892/28 A RU2012124892/28 A RU 2012124892/28A RU 2012124892 A RU2012124892 A RU 2012124892A RU 2509716 C2 RU2509716 C2 RU 2509716C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ferroelectric
- matrix
- composite
- creation
- ferroelectric material
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 108010067216 glycyl-glycyl-glycine Proteins 0.000 claims abstract description 5
- GZXOHHPYODFEGO-UHFFFAOYSA-N triglycine sulfate Chemical compound NCC(O)=O.NCC(O)=O.NCC(O)=O.OS(O)(=O)=O GZXOHHPYODFEGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 11
- 239000005373 porous glass Substances 0.000 claims description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 3
- 239000008204 material by function Substances 0.000 abstract description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 241000264877 Hippospongia communis Species 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000002999 depolarising effect Effects 0.000 description 1
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
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.
Description
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 
, 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 
(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.
Claims (4)
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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012124892/28A RU2509716C2 (ru) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012124892/28A RU2509716C2 (ru) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012124892A RU2012124892A (ru) | 2013-12-27 |
| RU2509716C2 true RU2509716C2 (ru) | 2014-03-20 |
Family
ID=49785714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012124892/28A RU2509716C2 (ru) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2509716C2 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2599133C1 (ru) * | 2015-07-06 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") | Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал на базе нанокристаллической целлюлозы и триглицинсульфата |
| RU2666857C1 (ru) * | 2017-11-08 | 2018-09-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Сегнетоэлектрический нанокомпозитный материал на базе нанокристаллической целлюлозы и сегнетовой соли |
| RU2740563C1 (ru) * | 2019-08-20 | 2021-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Сегнетоэлектрический нанокомпозитный материал на базе пористого стекла и материалов группы дигидрофосфата калия |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1170705A (zh) * | 1997-04-04 | 1998-01-21 | 清华大学 | 钙钛矿型氧化物铁电体－金纳米微粒复合材料及其制备方法 |
| WO2004022637A2 (en) * | 2002-09-05 | 2004-03-18 | Nanosys, Inc. | Nanocomposites |
| WO2005019324A1 (en) * | 2003-08-19 | 2005-03-03 | Advanced Sciences Company Limited | Heterogenic materials |
| JP2006241195A (ja) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 強誘電体フィルム及びその製造方法 |
| RU75784U1 (ru) * | 2007-11-15 | 2008-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") | Электрический конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью на основе сегнетоэлектрических нанокластеров |
-
2012
- 2012-06-18 RU RU2012124892/28A patent/RU2509716C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1170705A (zh) * | 1997-04-04 | 1998-01-21 | 清华大学 | 钙钛矿型氧化物铁电体－金纳米微粒复合材料及其制备方法 |
| WO2004022637A2 (en) * | 2002-09-05 | 2004-03-18 | Nanosys, Inc. | Nanocomposites |
| WO2005019324A1 (en) * | 2003-08-19 | 2005-03-03 | Advanced Sciences Company Limited | Heterogenic materials |
| RU2249277C1 (ru) * | 2003-08-19 | 2005-03-27 | Займидорога Олег Антонович | Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля - гетероэлектрик (варианты) |
| JP2006241195A (ja) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 強誘電体フィルム及びその製造方法 |
| RU75784U1 (ru) * | 2007-11-15 | 2008-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") | Электрический конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью на основе сегнетоэлектрических нанокластеров |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Bai F., et. Al. Destruction of spin cycloid in (111)c-oriented BiFeO3 thin films by epitiaxial constraint: Enhanced polarization and release of latent magnetization. Appl. Phys. Lett., 2005, V. 86, p.032511. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2599133C1 (ru) * | 2015-07-06 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") | Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал на базе нанокристаллической целлюлозы и триглицинсульфата |
| RU2666857C1 (ru) * | 2017-11-08 | 2018-09-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Сегнетоэлектрический нанокомпозитный материал на базе нанокристаллической целлюлозы и сегнетовой соли |
| RU2740563C1 (ru) * | 2019-08-20 | 2021-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Сегнетоэлектрический нанокомпозитный материал на базе пористого стекла и материалов группы дигидрофосфата калия |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012124892A (ru) | 2013-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Martin et al. | Thin-film ferroelectric materials and their applications | |
| Deng et al. | Magnetoelectric effect in multiferroic heteroepitaxial BaTiO3–NiFe2O4 composite thin films | |
| Liu et al. | Strain-driven phase boundaries in BiFeO 3 thin films studied by atomic force microscopy and x-ray diffraction | |
| Zhang et al. | Piezostrain-enhanced photovoltaic effects in BiFeO3/La0. 7Sr0. 3MnO3/PMN–PT heterostructures | |
| Zheng et al. | Hysteretic phase transition sequence in 0.67 Pb (M g 1/3 N b 2/3) O 3− 0.33 PbTi O 3 single crystal driven by electric field and temperature | |
| Lu et al. | Cooperative control of perpendicular magnetic anisotropy via crystal structure and orientation in freestanding SrRuO3 membranes | |
| Wang et al. | In situ reversible tuning of photoluminescence of an epitaxial thin film via piezoelectric strain induced by a Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3–PbTiO 3 single crystal | |
| Du et al. | Iso-oriented monolayer α-MoO 3 (010) films epitaxially grown on SrTiO 3 (001) | |
| JPWO2012124506A1 (ja) | 酸化物基板およびその製造方法 | |
| Fei et al. | Chemical Solution Deposition of Epitaxial Metal‐Oxide Nanocomposite Thin Films | |
| Hou et al. | Self-polarization induced by lattice mismatch and defect dipole alignment in (001) BaTiO 3/LaNiO 3 polycrystalline film prepared by magnetron sputtering at low temperature | |
| RU2509716C2 (ru) | Способ создания композитной сегнетоэлектрической наноструктуры | |
| Kaixin et al. | Multiferroic and in-plane magnetoelectric coupling properties of BiFeO3 nano-films with substitution of rare earth ions La3+ and Nd3+ | |
| Balakrishnan et al. | In situ studies on twinning and cracking proximal to insulator–metal transition in self-supported VO2/Si3N4 membranes | |
| Nicolenco et al. | Strain-gradient effects in nanoscale-engineered magnetoelectric materials | |
| Lee et al. | Reversibly controlled ternary polar states and ferroelectric bias promoted by boosting square‐tensile‐strain | |
| Zhao et al. | Large-scale template-assisted growth of LiNbO3 one-dimensional nanostructures for nano-sensors | |
| Wang et al. | Phase Transition in the Near-Surface Region of Ternary Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3-Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3-PbTiO 3 Relaxor Ferroelectric Crystals | |
| Li et al. | Effect of the template particles size on structure and piezoelectric properties of〈 0 0 1〉‐textured BNT‐based ceramics | |
| Kang et al. | Wafer‐scale single‐crystalline ferroelectric perovskite nanorod arrays | |
| Chi et al. | Microstructures and electrical properties of 0.5 (Ba0. 7Ca0. 3) TiO3–0.5 Ba (Zr0. 2Ti0. 8) O3 thin films prepared by a sol–gel route | |
| Seo et al. | Room temperature ferroelectricity of YCrO3 thin films on Rh single crystals | |
| CN111304737A (zh) | 一种合成内禀磁性拓扑绝缘体的方法 | |
| Feigl et al. | Post-deposition control of ferroelastic stripe domains and internal electric field by thermal treatment | |
| Zhang et al. | Nanoscale free-standing magnetoelectric heteropillars |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150619 |