Исследователи Южно-Уральского государственного университета в составе международной команды ученых синтезировали керамический материал, который подходит для создания датчиков давления, температуры, электрического и магнитного поля. Материал является более экологичным по сравнению с имеющимися аналогами и относится к классу мультиферроиков. Проведенные эксперименты дали возможность изучить особенности изменения кристаллической структуры и физических свойств таких материалов в области фазовых переходов. Статья о разработке керамических материалов с заданными свойствами посредством химического замещения ионов опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Nanomaterials» (https://www.mdpi.com/2079-4991/10/4/801).

Экологичные материалы для сенсоров

Исследования последних лет в области материаловедения направлены на изучение свойств и структуры мультиферроиков. Эти материалы одновременно обладают магнитным и электрическим упорядочением, благодаря чему их электрическими свойствами можно управлять с помощью магнитного воздействия и наоборот.

Главная цель на сегодня — найти недорогой и удобный в массовом производстве материал, обладающий магнитоэлектрическим взаимодействием, поляризацией, намагниченностью и при этом соответствующий экологическим нормам. Во многих современных материалах содержится свинец, хотя его широкое использование вызывает масштабное экологическое загрязнение и негативное влияние на здоровье людей.

Занимающиеся разработкой современных материалов ученые Южно-Уральского государственного университета считают, что современным требованиям удовлетворяет керамика на основе феррита висмута. Получение материалов в виде керамики позволяет относительно быстро синтезировать составы с различным химическим замещением исходных ионов и оценивать влияние химического замещения на структуру, а значит, и на свойства таких материалов.

Команда исследователей сделала такой вывод, работая с материалами на основе феррита висмута (BiFeO3) — одним из самых перспективных мультиферроиков. Замещая ионы железа и висмута, ученые исследовали структурные фазовые переходы керамики BiFeO3-BaTiO3 и установили, как изменяются свойства материала в зависимости от типа структурных искажений. Полученные данные позволят разработать новые функциональные материалы на основе сложных оксидных систем.

Структурная фазовая диаграмма составов Bi1-xBax...

Структурная фазовая диаграмма составов Bi1-xBaxFe1-xTixO3 с 0 < x < 0.5, фазовые границы показаны пунктирными линиями, область, приписываемая усилению ромбоэдрического искажения, отмечена как R+.

От объемной керамики к тонким пленкам

По окончании исследования ученые выявили взаимосвязь между типом и величиной структурных искажений в зависимости от концентрации ионов-заместителей, определили эволюцию пьезоэлектрических свойств (поляризация материала под действием механических напряжений). Данные были получены для широкого интервала температур и концентраций ионов-заместителей. На основании полученных результатов была построена фазовая диаграмма.

«После выбора оптимальных схем замещения и тщательного анализа структуры и свойств полученных материалов будет проводиться работа по получению уже известных химических составов в виде тонких пленок, так как такая форма получения материала наиболее востребована промышленностью. Безусловно, пока рано говорить о масштабном производстве, но в рамках отработки технологии мы планируем получить пробные партии материалов, что позволит оценить перспективы таких материалов на рынке и масштабируемость выбранной технологии синтеза», — добавил один из авторов работы Дмитрий Карпинский.

Материалы, синтезом которых занимаются ученые ЮУрГУ, можно будет использовать для создания сенсоров внешних воздействий, а также в качестве магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов.

Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией, экологией.

ЮУрГУ — участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

Статья опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Nanomaterials» https://www.mdpi.com/2079-4991/10/4/801