Materiały przyszłości Priorytetowy Obszar Badawczy POB3

Serdecznie zapraszamy na seminarium naukowym w Instytucie Fizyki CN-D.

Referat pt:” Ferro- i antyferroelektryczność perowskitów ABO₃: atrakcyjne współistnienie przeciwieństw” wygłosi prof. Krystian Roleder z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Streszczenie poniżej.

W dzisiejszym świecie króluje tzw. nanotechnologia, której najlepszym widzialnym przykładem jest telefon komórkowy i cała sfera telekomunikacji. Choć na osobach mających styczność z dziedziną nauk fizycznych nazwa ta nie robi szczególnego wrażenia. Zajmujemy się przecież pojedynczym atomami, jądrami czy cząstkami elementarnymi, czyli światem o znacznie mniejszym rozmiarze niż „nano”. Jednakże sposób dotarcia do tych rozmiarów był niewątpliwie naukowym wyzwaniem. Można zaryzykować stwierdzenie, że gdyby nie odkrycie w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku związków PbZr1-xTixO3 (znanych jako PZT), dzisiejszej nanotechnologii by nie było. Stało się tak między innymi dzięki zbudowaniu mikroskopu tunelowego i mikroskopu sił atomowych w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku, w których wykorzystano znakomite właściwości piezoelektryczne ceramik PZT do budowy aktuatorów, pozwalających na przesuwanie elementu pomiarowego we wspomnianych mikroskopach (tzw. tip’u) na odległości odpowiadające rozmiarom atomów. Dzisiaj PZT znajdują bardzo liczne praktyczne zastosowania w mikroelektronice (transformatory), medycynie (ultrasonografia), sporcie (narty, stroje sportowe), a nawet w samochodach, w których zapewniają oszczędniejsze zużycie paliwa. Choć minęło już kilka dziesięcioleci, materiały PZT są używane w postaci ceramik.
W pewnym sensie dziwnym było to, że jeszcze do niedawna nie znaliśmy mechanizmu fizycznego odpowiedzialnego za silne deformacje piezoelektryczne perowskitów PZT. Uważano, że głównym powodem silnej deformacji jest zmiana symetrii materiału indukowana polem elektrycznym. Od zaledwie kilku lat dysponujemy technologią wzrostu kryształów PZT o zawartości Ti w szerokim zakresie zawartości Ti. Zaobserwowaliśmy, że kryształy te pod wpływem pola elektrycznego ulegają deformacji rzędu 0.3%, która jest wystarczająca, by osiągać tysiące razy silniejsze od kwarcu zjawisko piezoelektryczne. Nasze badania pokazały, że jest to związane z pewnego rodzaju chaosem strukturalnym polegającym na współistnieniu w jednym krysztale faz o różnej symetrii. A jak to się dzieje w mikro- i nanoskali, postaram się przekonać słuchaczy prezentując wyniki naszych badań eksperymentalnych w pierwszej części wystąpienia.
Oprócz powyżej ukazanej praktycznej strony naszych badań3, jest jeszcze ta, związana z badaniami podstawowymi. Cyrkonian ołowiu PbZrO3, wchodzący w skład PZT i jako pierwszy w historii odkryty materiał antyferroelektryczny, stał się pierwowzorem związku antyferroelektrycznego. Mimo, że jest to materiał badany od ponad 70 lat, dopiero w ostatnich dziesięciu latach dokonano odkryć jego niezwykłych i nietypowych właściwości fizycznych dotyczących skomplikowanego mechanizmu strukturalnego przejścia fazowego, niekonwencjonalnej fazy paraelektrycznej z nano-obszarami polarnymi, skokowych ruchów ścian domenowych, zjawiska fleksoelektrycznego, dużego ujemnego efektu elektrokalorycznego, czy też cykloidalnego uporządkowania polaryzacji. Zaledwie cztery lata temu okazało się, że antyferroelektryczne właściwości PbZrO3 nie są jedynymi i że w krysztale tym mogą występować niezwykle rzadko spotykane - wśród setek perowskitów ABO3 - właściwości ferrielektryczne (nie ferroelektryczne). Wpierw zasugerowały to symulacje komputerowe, z których wynikało, że właściwości ferrielektryczne (polarne) powinny występować poniżej temperatury pokojowej, podważając zarazem istnienie w PbZrO3 czystego stanu antyferroelektrycznego do temperatury zera bezwzględnego. O tym, że przewidywania symulacji komputerowych mogą być intrygujące, postaram się przekonać słuchaczy w drugiej części wystąpienia.