name: Размерные эффекты в фазовых переходах и физических свойствах неоднородных ферроиков
keyword_list: размерные эффекты феноменологическая теория Ландау - Гинзбурга низкоразмерные ферроики собственное электрическое поле фазовый переход релаксор
abstract: Цель работы – исследование особенностей фазовых переходов в системах неоднородных наноферроиков, сегнеторелаксорах с учетом собственных полей рассеяния на основе феноменологической теории фазовых переходов Ландау–Гинзбурга с применением численно-аналитических методов для решения систем дифференциальных уравнений в частных производных. 
  В соответствии с целью работы решались следующие задачи:
  1. Разработка методик расчета температуры фазового перехода в наноферроиках и нахождение температурных интервалов существования низкосимметричных фаз в зависимости от размера и формы исследуемых образцов, типа взаимодействия параметра порядка с внешней средой.
  2. Исследование основных термодинамических характеристик наноферроиков в зависимости от размеров ферроиков и типа закрепления параметра порядка на их границах.
  3. Установление влияния размерных эффектов на собственные частоты поляризационных колебаний и времена релаксации поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках.
  4. Определение вклада неоднородных индуцируемых электрических полей структуры ферромагнетик-пьезоэлектрик в смещение резонансных частот и величину магнитоэлектрического отклика.
  5. Определение условий существования неоднородных поляризованных состояний вблизи температуры фазового перехода в тонких сегнетоэлектрических пленках.
  6. Исследование механизмов переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках во внешнем электрическом поле.
  7. Нахождение температуры фазового перехода и ширины температурной области его размытия в тонкой пленке сегнеторелаксора в зависимости от параметров пленки и статистических характеристик ее структурной неоднородности.
  Основные результаты и выводы:
  1. Показано, что в ограниченных образцах сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков температура фазового перехода смещается, в отличие от полуограниченных кристаллов, где меняется только распределение параметра порядка η вблизи температуры Кюри и его температурная зависимость. Определены основные факторы, влияющие на температуру фазового перехода и термодинамические характеристики (свободная энергия, теплоемкость, восприимчивость) в тонких сегнетоэлектрических и сегнетоэластических пленках, тонкопленочных структурах сегнетоэлектрик-диэлектрик, тонких сегнетоэлектрических и сегнетоэластических стержнях круглого и прямоугольного сечения, сегнетоэлектрических наночастицах сферической и эллипсоидальной формы, а именно: толщина пленки и сечения стержня, диаметр наночастицы; форма сечения стержня и наночастицы; свойства поверхности, определяемые параметром αs (αs*η^ 2/2 – удельная поверхностная энергия). Смещение ΔT температуры фазового перехода ограниченного образца относительно температуры Кюри объемного кристалла растет с уменьшением его размера и увеличением параметра | αs |, причем ΔT>0  в случае αs>0 и ΔT<0 в случае αs<0  Критический размер образца, ниже которого невозможен фазовый переход, растет с увеличением параметра αs>0. Подобное поведение температуры перехода также имеет место в случае структурных фазовых переходов, не сопровождающихся возникновением дальнодействующих полей, а также в случае фазовых переходов из однородного в неоднородное магнитное состояние в ферромагнетиках. 
  2. Установлено, что в тонких сегнетоэлектрических пленках толщиной выше некоторого значения, определяемого материалом пленки, при охлаждении из парафазы по достижении некоторой температуры Tfh происходит переход в неоднородное доменоподобное состояние, предшествующее однородному в плоскости пленки полярному состоянию с температурой Tf фазового перехода, причем Tf<Tfh<Tc (αs>0) и Tc<Tf<Tfh (αs<0). Если αs<0, то с увеличением |αs| влияние поверхности растет и выше некоторого значения (|αs|=0.4a  для пленки ТГС) температура Tfh практически перестает зависеть от толщины l пленки – поверхность «затягивает» фазовый переход в высокотемпературную область и полностью контролирует наличие полярного состояния. При αs<0 ширина интервала  существования неоднородной фазы меньше, чем в случае αs>0. Снижение температуры Tfh за счет экранирования зарядов на поверхности пленки незначительно (~2.5 К для пленки ТГС c l=10 ML, | αs |=0.25 ML). 
  3. Спрогнозировано смещение ΔT=|Tf - Tfh| температуры  структурного фазового перехода в тонких сегнетоэлектрических пленках при приложении вдоль полярной оси достаточно слабого внешнего поля Eext  (Eext<<8π^3*κ^(3/2)*l^(-3)*β^(-1/2), где κ – корреляционная постоянная, β – коэффициент перед P^4/4 в разложении Ландау свободной энергии по поляризации). С уменьшением толщины и увеличением энергии поверхности пленки смещение ΔT растет. В случае экранирования зарядов на поверхности пленки смещение ΔT возрастает (примерно на 15 К при l=10 ML, αs=1 ML для пленки ТГС) и усиливается с ростом параметра αs.
  4. Построена теория продольного магнитоэлектрического эффекта в двухслойной структуре ферромагнетик-пьезоэлектрик. Показано, что точный учет электрических полей приводит к заметному смещению ее собственных частот в высокочастотную область. Так относительное изменение наинизшей собственной частоты ν0 для структуры никель/цирконат-титанат свинца при постоянной толщине магнитострикционного слоя lm=1 мм изменяется от 53% до 60% соответственно при изменении толщины пьезослоя lp от 5 мм до 0.05 мм. Дисперсия колебательных мод в случае неоднородных в плоскости структуры колебаний приводит к дополнительному смещению собственных частот (достигает 8% при lm=0.5 мм и lp=5 мм) и максимумов на частотной зависимости коэффициента магнитоэлектрической связи в сторону высоких частот. Произведен учет диссипации энергии на резонансных частотах и дана оценка максимальных значений коэффициента магнитоэлектрического эффекта. Рассчитанная зависимость собственной частоты от длины структуры никель/цирконат-титанат свинца с естественными граничными условиями на ее концах хорошо согласуется с экспериментом.
  5. Найдены спектры собственных частот и разрешенных времен релаксации {tn} при охлаждении из парафазы до температуры Tf фазового перехода тонких сегнетоэлектрических пленок с параллельным и перпендикулярным расположением полярной оси к плоскости пленки. В обоих случаях температурные зависимости 1/tn(T) носят линейный характер, величина 1/t1(T) в точке Tf  обращается в нуль при любых параметрах пленки. Присутствие деполяризующих полей смещает зависимости 1/tn(T) вверх вдоль оси ординат (для пленки ТГС собственные электрические поля ускоряют диэлектрическую релаксацию примерно в 3 раза). Определен спектр времен релаксации ансамбля сегнетоэлектрических частиц. Для данной системы вклад наибольшего времени релаксации в среднее время релаксации монотонно возрастает с увеличением количества ее частиц. Скорость релаксации поляризации на начальной стадии (в течение времени, равного обратной частоте переключения поляризации в частице) контролируется количеством частиц в ансамбле. 
  6. Рассчитана форма зародыша обратного домена в тонкой сегнетоэлектрической пленке в достаточно слабом электрическом поле (влиянием на профиль поляризации можно пренебречь). Найден критический размер  Lcr зародыша, способного расти за счет движения доменных границ, в зависимости от толщины пленки, параметра αs на ее границах, напряженности внешнего электрического поля Eext, температуры (для пленки ТГС Lcr ~ 7 ML при T=100 К, Eext ~ 0.01P∞). Определен кроссовер перехода от однородного переключения поляризации к неоднородному при некотором критическом значении параметра αscr(l, Eext) на границах пленки. В рамках кинетической теории Зельдовича роста зародышей найдена средняя скорость <dP/dt>=f(l,αs,Eext) переключения поляризации в пленке. 
  7. Разработана общая схема исследования и прогнозирования физических свойств материалов с размытым фазовым переходом, включающая модель «случайная температура», модель «случайное поле», учитывающую крупномасштабные флуктуации электрических полей, связанных с дефектной структурой материала, и позволяющая определить основные факторы, влияющие на формирование свойств этих материалов – модуля амплитуды флуктуации локальной температуры фазового перехода, электрического поля, геометрических размеров флуктуационных областей и установить зависимость температурной ширины области размытия от статистических мер перечисленных факторов.
  8. Применительно к исследованию и прогнозированию физических свойств тонких пленок сегнеторелаксоров сформулирован метод стохастических дифференциальных уравнений и определена методика его применения. Для температуры фазового перехода как случайной функции структурных параметров материала найдены математическое ожидание, дисперсия, отвечающие за размытие перехода.
chairman_dissertation_council.name: Валентин
chairman_dissertation_council.surname: Иевлев
chairman_dissertation_council.patronymic: Михайлович
chairman_dissertation_council.position: Заведующий кафедрой
chairman_dissertation_council.degree: Доктор физико-математических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: P-9039-2019
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 1412149000
chairman_dissertation_council.rinc_id: 21729
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Лариса
organization_supervisor.surname: Клюева
organization_supervisor.patronymic: Александровна
organization_supervisor.position: Начальник ОДС
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 29.19.16
rubrics.name: Физика тонких пленок. Поверхности и границы раздела
rubrics.code: 29.19.03
rubrics.name: Теория конденсированного состояния
rubrics.code: 29.19.35
rubrics.name: Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики
rubrics.code: 29.19.22
rubrics.name: Физика наноструктур. Низкоразмерные структуры. Мезоскопические структуры
rubrics.code: 29.19.15
rubrics.name: Фазовые равновесия и фазовые переходы
oecds.code: 01.03.UK
oecds.name: PHYSICS, CONDENSED MATTER
speciality_codes.name: Физика конденсированного состояния
speciality_codes.code: 01.04.07
supervisors.fio: Нечаев В.Н.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Физика конденсированного состояния
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Сигов А.С.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Тополов В.Ю.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Даринский Б.М.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГБОУ ВО "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ", ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ФГБОУ ВО "ВГТУ", ВГТУ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1033600070448
protection_organization.supervisor_name: СЕРГЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: КОЛОДЯЖНЫЙ
protection_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: Военно-воздушная академия или ВУНЦ ВВС "ВВА"
author_organization.name: федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина" Министерства обороны Российской Федерации
author_organization.ogrn: 1095050007414
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство обороны Российской Федерации
author_organization.okopf: Учреждения