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 негативно влияет 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, в которую вошли представители ЮУрГУ Дмитрий Карпинский, Сергей Труханов и Алексей Труханов, сделала такой вывод, работая с материалами на основе феррита висмута (BiFeO3) – одними из самых перспективных мультиферроиков. Замещая ионы железа и висмута, ученые исследовали структурные фазовые переходы керамики BiFeO3 – BaTiO3 и выяснили, как изменяются свойства материала в зависимости от типа структурных искажений. Полученные данные позволят разработать новые функциональные материалы на основе сложных оксидных систем.

– Для синтеза материалов мы использовали инновационные схемы химического замещения. Подбор химического состава позволил синтезировать керамические составы с так называемым метастабильным структурным состоянием. Такие материалы обладают повышенной чувствительностью к воздействию внешних факторов – температуры, электрического и магнитного поля, давления. А значит, могут использоваться в качестве сенсоров внешних воздействий, – пояснил старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов факультета материаловедения и металлургических технологий Политехнического института ЮУрГУ Дмитрий Карпинский.

Вместе с учеными ЮУрГУ в исследовании участвовали представители Уральского федерального университета, Лодзинского технического университета (Польша), Университета Авейро (Португалия). В зарубежных научных центрах выполнялись такие эксперименты, как исследования структуры составов материала методами электронной и атомно-силовой микроскопии. В ЮУрГУ провели анализ структуры составов методом дифракции рентгеновского излучения.

От объёмной керамики к тонким плёнкам

В итоге ученые выявили взаимосвязь между типом и величиной структурных искажений в зависимости от концентрации ионов-заместителей, проследили эволюцию пьезоэлектрических свойств (поляризация материала под действием механических напряжений). Данные получены для широкого интервала температур и концентраций ионов-заместителей. На основании полученных результатов 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: такая форма материала наиболее востребована промышленностью. Безусловно, пока рано говорить о масштабном производстве, но в рамках отработки технологии планируем получить пробные партии, что позволит оценить перспективы таких материалов на рынке и масштабируемость выбранной технологии синтеза, – добавил 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 одним из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета, наряду с цифровой индустрией и экологией.

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