REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

V doktorski disertaciji so predstavljeni eksperimentalni rezultati študije štirih različnih materialov: relaksorskega feroelektričnega kristala, keramike in trdne raztopine ter feroelektričnega kristala. Študija je posvečena potrditvi obstoja kritične točke v teh snoveh in njenem vplivu na elektromehanski in elektrokalorični odziv.
Prvi del predstavlja raziskave obstoja kritične točke v kristalu relaksorskega feroelektrika Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN), orientiranega vzdolž [110] smeri, relaksorski keramiki Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))(1-x/4)O3 (PLZT) z relaksorsko sestavo 9/65/35 in feroelektričnem kristalu BaTiO3, orientiranem vzdolž [001] smeri. Osrednji del raziskav prvega dela je namenjen reševanju vprašanja narave osnovnega relaksorskega stanja v PMN relaksorju. Predstavljene polarizacijske in kalorimetrične meritve sovpadajo med seboj in podpirajo tezo, da je osnovno relaksorsko stanje steklasto in ne nanodomensko feroelektrično stanje, zamrznjeno pod vplivom slučajnih polj. Ključen dokaz za podporo omenjene trditve predstavlja anomalija, ki jo kaže toplotna kapaciteta na mestu feroelektričnega prehoda, induciranega z električnim poljem. Anomalija se pojavi samo v primeru če je električno polje dovolj veliko, da inducira feroelektrično fazo, medtem ko pri nizkih električnih poljih ali pri polju nič anomalija izgine. Drugi dokaz, ki podpira obstoj steklastega osnovnega stanja v relaksorjih je prisotnost latentne toplote. Sproščena latentna toplota je znak, da gre za fazni prehod prvega reda med steklasto in feroelektrično fazo in je v primeru prehoda iz nanodomenske v mikrodomensko feroelektrično stanje s slučajnimi polji ne bi opazili. Nadaljna natančnejša študija latentne toplote je še pokazala, da se linija faznega prehoda prvega reda v [110] PMN konča v kritični točki. Predstavljeni rezultati so prav tako v skladu s teoretičnim sferičnim modelom naključnih vezi in naključnih polj (SRBRF), ki ga je razvil Raša Pirc. Njegova nadgradnja modela je pokazala, da izračunano obnašanje toplotne kapacitete kvalitativno opiše eksperimentalno obnašanje. Poleg relaksorskega kristala smo študirali tudi relaksorsko keramiko in obstoj kritične točke v tem materialu. Meritve latentne toplote so pokazale, da ta sicer počasi izginja, vendar ne izgine popolnoma tudi pri višjih temperaturah. To nakazuje dejstvo, da kritična točka v keramiki ni ostro določena, ampak je razmazana v določenem področju faznega diagrama električnega polja in temperature. Predpostavljamo, da je za razmazanost kritične točke odgovorna izotropnost keramike. Obstoj ostro določene kritične točke pa je bil dokazan v študiji linije faznega prehoda iz kubične v tetragonalno fazo feroelektičnega kristala BaTiO3.
Drugi del disertacije zajema študijo elektromehanskega in elektrokaloričnega odziva ter vpliv bližine kritične točke na te lastnosti. Elektromehanski odziv je bil raziskan v dveh sistemih Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.26PbTiO3 (PMN-0.26PT) relaksorju ter feroelektriku BaTiO3. Pri tem je relaksor blizu morfotropne fazne meje, feroelektrik BaTiO3 pa sploh nima morfotropne meje. Posebna pozornost je bila tako namenjena raziskavi vpliva morfotropne fazne meje na piezoelektrični odziv. Analiza piezoelektričnega odziva PMN-0.26PT kristala kaže na to, da je ojačitev piezoelektričnega odziva povezana s kritičnim obnašanjem enega izmed višjih faznih prehodov. Da je ojačitev piezoelektričnega odziva povezana s prisotnostjo kritične točke in fluktuacijami v bližini le-te ter posledično divergence susceptibilnosti, potrjujeo meritve piezoelektričnega koeficienta v BaTiO3, ki kažejo maksimum te količine v bližini kritične točke. Obe študiji nakazujeta na to, da za ojačitev piezoelektričnega odziva ni nujna prisotnost MPB ter da je mehanizem ojačitve povezan z bližino kritične točke. Poleg vpliva kritične točke na ojačitev piezoelektričnega odziva nas je zanimal tudi vpliv na elektrokalorični odziv. V preteklosti je bilo že pokazano za različne inorganske relaksorske in organske feroelektrične ter relaksorske materiale, da je elektrokalorična (EC) odzivnost največja v bližini kritične točke. Zelo malo raziskav je bilo narejenih na feroelektričnih kristalih, kot na primer BaTiO3, za katerega je znano, da ima feroelektrični fazni prehod prvega reda, pri katerem se sprosti znatno večja količina latentne toplote kot v relaksorskih sistemih. Pri raziskavi EC odzivnosti smo se tako osredotočili na vpliv razmerja med spremembo temperature, povezane z latentno toploto, in spremembo temperature, povezane z vlečenjem polarizacije zaradi povečevanja električnega polja. Meritve so pokazale, da se vrh EC odzivnosti odmakne od kritične točke. Vzrok za ta zamik pripisujemo količini sproščene latentne toplote, ki hitro pada, ko se približujemo kritični točki, medtem ko drugi del, povezan z zveznim spreminjanjem polarizacije, ne uspe kompenzirati spremembe temperature.
Namen doktorske disertacije je, da prispeva k boljšemu razumevanju naprednih relaksorskih in feroelektričnih materialov in fizikalnih mehanizmov, ki so odgovorni za ojačitev določenih fizikalnih lastnosti, pomembnih za razvoj novih visokotehnoloških izdelkov, kot so napredni senzorji, aktuatorji, elementi regulacije temperature, izvori ultrazvoka itd.