Электроактивные материалы

Описание направления

Исследования охватывают сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, релаксоры, электродные и фотострикционные материалы. Изучаются структура, диэлектрические, поляризационные, электромеханические и электрокалорические свойства.

Электроактивные материалы – одно из ключевых направлений исследований отдела. К ним относятся сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, релаксоры и родственные функциональные оксиды, в которых электрическое поле может изменять поляризацию, структуру, диэлектрическую проницаемость, деформацию, температуру или фазовое состояние материала.

Основное внимание уделяется перовскитным оксидам и твёрдым растворам, где функциональные свойства определяются тонким балансом между несколькими конкурирующими структурными состояниями. Смещения катионов, повороты кислородных октаэдров, локальный химический порядок и эпитаксиальные напряжения могут приводить к возникновению сегнетоэлектрического, антисегнетоэлектрического, релаксорного или пьезоэлектрического поведения.

Важная часть работ связана с антисегнетоэлектриками и близкими к ним фазовыми состояниями. В работе Journal of Physics: Condensed Matter, 2020 были рассмотрены скрытые несобственные сегнетоэлектрические фазы, которые могут играть ключевую роль в создании функциональных материалов.

Отдельное направление связано с тонкими плёнками электроактивных оксидов. В сотрудничестве с Южным научным центром РАН были исследованы структура и сегнетоэлектрические свойства гетероэпитаксиальных плёнок NaNbO₃: Technical Physics Letters, 2020. Развитием этой темы стало исследование тонкоплёночных антисегнетоэлектрических гетероструктур 0.91NaNbO₃-0.09SrZrO₃/SrRuO₃/MgO(001), где были проанализированы структура и диэлектрические свойства: Ferroelectrics, 2022. Такие системы интересны тем, что эпитаксиальные ограничения и интерфейсы позволяют стабилизировать фазовые состояния, которые могут отличаться от объёмных материалов.

Большое значение имеют исследования диэлектрических и релаксорных свойств сложных перовскитных твёрдых растворов. В среднеэнтропийной керамике PbSc_1/4In_1/4Nb_1/4Ta_1/4O₃ были изучены диэлектрические свойства и возможность атомного упорядочения в B-подрешётке: Materials Science and Engineering B, 2023. Близкая задача рассматривается в релаксорных твёрдых растворах PbMg_1/3Nb_2/3O₃-LaMg_2/3Nb_1/3O₃, где диэлектрический отклик связан с особенностями локального химического порядка.

Электрокалорический эффект и индуцированные полем фазовые переходы изучаются как экспериментально, так и методами атомистического моделирования. В работе по PbZrO₃ молекулярная динамика была использована для анализа фазовых переходов и электрокалорического эффекта в одном из классических антисегнетоэлектриков: Physical Review B, 2025. Такие расчёты позволяют проверить, насколько корректно межатомные потенциалы воспроизводят конкуренцию фаз и отклик материала на внешнее электрическое поле.

Отдельный блок исследований связан с высокотемпературными и мультиферроидными перовскитными керамиками на основе BiFeO₃. В твёрдых растворах BiFeO₃-PbTiO₃, модифицированных Sm, изучались структура, электрические свойства и фазовая диаграмма. Родственные BiFeO₃-содержащие твёрдые растворы рассматриваются как перспективные материалы, в которых могут сочетаться сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические, магнитные и магнитоэлектрические свойства.

В целом направление ориентировано на установление связи между кристаллической структурой, локальными искажениями, фазовым состоянием и электрическим откликом материала. Сочетание синтеза керамики и тонких плёнок, рентгеноструктурного анализа, диэлектрических, поляризационных и электромеханических измерений, феноменологической теории и атомистического моделирования позволяет целенаправленно искать новые электроактивные материалы для сенсоров, актюаторов, энергоэффективных устройств, элементов памяти и систем преобразования энергии.

Связанные публикации