Группа специалистов Института химии твердого тела УрО РАН под руководством старшего научного сотрудника лаборатории неорганического синтеза кандидата химических наук Татьяны Чупахиной в сотрудничестве с коллегами из Уральского федерального университета им. первого Президента России Б. Н. Ельцина получила уникальные результаты в ходе исследований керамических диэлектриков и обработки их термобарическим методом.

Термин «диэлектрик» (от древнегреческих διά – «через, раздельно» и ἤλεκτρον – «янтарь») ввел в научный оборот знаменитый английский физик Майкл Фарадей. Это материал с низкой электрической проводимостью, способный под действием внешнего электрического поля накапливать энергию посредством поляризации. Диэлектрики – необходимый элемент многих электронных приборов, прежде всего конденсаторов – накопителей энергии.

– Исследования диэлектриков интенсивно ведутся во всем мире, – отметила Татьяна Чупахина. – В 2000 г. на основе монокристаллов были получены купраты-титанаты кальция с гигантскими значениями диэлектрической проницаемости, в 2009-м – никелат лантана-стронция с такими же свойствами. Но выращивать монокристаллы крайне непросто, это целая наука, поэтому использовать соединения на их основе для решения практических задач проблематично. Начались поиски альтернативных вариантов диэлектриков для конденсаторов. Мы выбрали керамические соединения, поскольку по сравнению с полимерными и другими органическими материалами они более устойчивы к различным неблагоприятным факторам внешней среды. Однако керамика состоит из зерен, маленьких кристалликов, и у нее не очень хорошие диэлектрические свойства. Мы задумались над тем, как эти свойства улучшить. В нашем институте, в лаборатории структурного и фазового анализа, есть установка для термобарической обработки «Тороид». Она хоть и «немолодая», но работает исправно. Там оксиды, полученные в обычных условиях, можно подвергнуть обработке высоким давлением одновременно с нагревом. Таким способом мы получили керамику того же химического состава, что и никелат лантана-стронция, синтезированный на основе монокристаллов. Измерения диэлектрических свойств наших материалов провели сотрудники кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем УрФУ. Эффект оказался удивительным – диэлектрическая проницаемость никелата лантана-стронция, обработанного термобарическим методом в течение всего 5 минут, повышается более чем в 10 раз!

В 2016 г. уральские ученые опубликовали свои результаты в международном журнале Materials Research Bulletin, а впоследствии и в других высокорейтинговых изданиях. До этого подобными исследованиями никто не занимался, они были первыми.

Кандидат химических наук Надежда Кадырова (лаборатория рентгеноструктурных исследований ИХТТ) применила термобарическую обработку к титанату кальция-меди и получила такой же эффект. Статья по этой тематике недавно вышла в Journal of Physics and Chemistry of Solids.

Исследователи ИХТТ не только получают выдающиеся экспериментальные результаты, но и стараются объяснить феномен 10-кратного повышения диэлектрической проницаемости материала после обработки в термобарических условиях. Комплексные исследования электрических свойств в широком диапазоне давлений, температур, частот электрического поля показали, что значения диэлектрической проницаемости полученной керамики определяются как внутренними причинами (процессами межслоевой зарядовой поляризации), так и внешними причинами (поляризация на границах зерен и неоднородностей). Очевидно, что влияние термобарической обработки связано с изменением формы зерен в керамических соединениях. Результаты этих исследований представлены в статье, принятой к публикации в журнале Ceramics International.

О практической значимости работы рассказала научный сотрудник лаборатории неорганического синтеза ИХТТ УрО РАН Юлия Деева:

– Как известно, диэлектрики широко используются в конденсаторах. Повысить емкость конденсатора можно несколькими способами: увеличить площадь обкладок (но это не лучший вариант, поскольку преобладает тенденция к миниатюризации электронных устройств); увеличить количество проводящих и диэлектрических слоев (однако это также приводит к укрупнению размеров конденсатора, который становится похожим на сэндвич); наконец, увеличить саму диэлектрическую проницаемость используемого в конденсаторе материала, к чему мы, собственно, и стремимся. Кроме того, важно снизить потери диэлектрика, что также возможно благодаря термобарической обработке.

Мы разрабатываем керамические диэлектрики с различной формой зерен, которые могут использоваться в самых разных электронных устройствах (системах оперативной памяти, многослойных конденсаторах, полупроводниковых резисторах) и в большом диапазоне температур. Насколько важна емкость конденсатора, всем понятно даже на бытовом уровне – к примеру, в мобильном телефоне на морозе конденсаторы теряют емкость, их «пробивает», а на пляже перестают работать из-за перегрева, что может привести к деформации. Тем более это существенно при использовании электронных устройств в экстремальных условиях – на Крайнем Севере, в космосе. Диэлектрические свойства наших материалов остаются постоянными и при высоких, и при низких температурах (от –260 ˚C до 300 ˚C) и в широком диапазоне частот. А изготавливать такие диэлектрики можно на базе российских технологий и производственных мощностей.

Источник: Уральское отделение РАН.
Подготовила Е. Понизовкина.