КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-72-10022

НазваниеРотационные искажения в многоподрешеточных кристаллах: дизайн функциональных материалов с управляемыми физическими свойствами

РуководительТаланов Михаил Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые словаперовскит, анионные октаэдры, сегнетоэлектрики, диэлектрики, теоретико-групповой анализ, фазовые переходы, симметрия, параметр порядка, пирохлор, теория функционала плотности, запрещенная зона, кристаллическая структура, атомный порядок, искровое плазменное спекание

Код ГРНТИ29.19.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Многоподрешеточные кристаллы, содержащие в своей структуре несколько подсистем металлических атомов, принадлежат к многочисленным структурным типам и составляют основу большинства групп функциональных материалов, используемых в современных и перспективных устройствах электронной техники, в различных отраслях промышленности. Кооперативные ротации (наклоны и вращения) анионных или катионных структурных блоков (структурных единиц, полиэдров) в веществах, являются распространенным типом искажений, проявляющихся во всех основных семействах многоподрешеточных кристаллов, включая перовскиты, пирохлоры, шпинели, вольфрамовые бронзы и многие другие. Для самого многочисленного среди всех известных структурных типов материалов –перовскитов – наклоны анионных октаэдров являются доминирующим структурным механизмом образования низкосимметрчных модификаций и определяющим фактором происхождения многих физических свойств, включая магнитные, оптические, каталитические, ионно- и электропроводящие, термоэлектрические, сегнетоэлектрические, мультиферроидные и другие. Поэтому вопросы о типах и механизмах ротационных искажений традиционно привлекали внимание ученых, и, по-существу, стали классическими для исследований в области кристаллографии, кристаллофизики, физики конденсированного состояния, кристаллохимии и минералогии разных классов материалов, и особенно перовскитов. В последние годы произошла своеобразная революция, характеризующаяся взрывным ростом интереса к перовскитам и другим многоподрешеточным кристаллам, к их физическим свойствам. Она обусловлена следующими обстоятельствами: открытием уникальных фотовальтаических свойств галидных перовскитов, которые существенно зависят от степени наклона октаэдров; синтезом гибридных органо-неорганических перовскитов с необычными (запрещенными в неорганических перовскитах) наклонами октаэдров; получением слоистых структур гибридных несобственных сегнетоэлектриков, в которых поляризация проявляется в результате комбинации различных типов наклонов анионных октаэдров. Еще одним важным обстоятельством является теоретический прогноз существования экзотических электронно-структурных состояний материи в многоподрешеточных кристаллах. Так, например, пирохлор Bi2Ti2O7 рассматривается как кандидат в необычное немагнитное геометрически фрустрированное состояние – “зарядовый лед”. В формировании этого состояния ключевую роль играют наклоны тетраэдров бетта-кристобалитного типа. Для приведенных примеров вопросы о механизмах ротационных искажений и их взаимосвязи с физическими свойствами кристаллов являются ключевыми. Ввиду сложности новых объектов исследований, характеризующихся наличием ранее не изученных структурных степеней свободы, эти вопросы не могут быть решены в рамках традиционных научных подходов, не имеют адекватного теоретического описания и являются остро дискуссионными. Остро необходимы новые теоретические подходы, которые и предлагаются в данной программе исследований. Проект посвящен установлению роли ротационных структурных искажений в формировании структур и физических свойств многоподрешеточных кристаллов, востребованных для нужд электроники (диэлектрики, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики), наноэлектроники (несобственные сегнетоэлектрики, мультиферроики), энергетики (фотовальтаики), химической промышленности (химически-устойчивые диэлектрики, фотокатализаторы). Научная новизна проекта заключается в том, что впервые в мировой научной практике планируется провести систематическое комплексное изучение ротационных искажений в многоподрешеточных кристаллах по трем органично связанным друг с другом направлениям исследований: теоретическому, экспериментальному и технологическому. Новизна теоретических исследований будет состоять в совместном использовании современных теоретико-групповых инструментов теории фазовых переходов Ландау (в том числе оригинальных, разработанных руководителем проекта) и квантово-механических расчетов в рамках теории функционала плотности с целью установления возможных типов, механизмов и природы ротационных искажений в многоподрешеточных кристаллах. Экспериментальные исследования будут направлены на изучение кристаллической структуры, микроструктуры и электрофизических свойств керамики и кристаллов с различными проявлениями ротационных степеней свободы. Технологические исследования будут связаны с разработкой промышленно-адаптированных режимов изготовления изучаемой керамики, востребованной для электронной промышленности. Такой предлагаемый комплексный подход существенно расширит наши научные представления о структурных механизмах формирования кристаллических структур и происхождении физических свойств в наиболее многочисленных и востребованных практикой структурных типах многоподрешеточных кристаллов. Полученные знания будут использованы для дизайна и получения новых материалов с более высокими функциональными характеристиками по сравнению с существующими аналогами.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут достигнуты следующие результаты: 1. На основании теоретико-группового анализа и квантово-механических расчетов будет установлена роль ротационных степеней свободы (наклонов анионных октаэдров) и несобственных параметров порядка (индуцированных наклонами октаэдров) в формировании запрещенной зоны в галидных перовскитах CsPbX3 (X = I, Cl, Br) и происхождении их физических свойств. 2. Будут установлены возможные структурные механизмы формирования сегнетоэлектрических свойств в перовскитоподобных структурах, обусловленные наклонами анионных октаэдров, а также комбинацией наклонов и атомного упорядочения. Эти теоретико-групповые результаты в сочетании с планируемыми квантово-механическими исследованиями позволят определить и апробировать критерии поиска новых сегнетоэлектриков и мультиферроиков, в которых поляризация является несобственным параметром порядка. 3. Будет построена теоретико-групповая классификация анион-упорядоченных перовскитов с наклоненными октаэдрами и установлены структурные, кристаллохмические и топологические условия проявления ротационных степеней свободы в различных группах моно- (оксиды, галиды, фториды, нитриды, галогениды и т.д.) и гетероанионных (оксинитриды, оксифториды, оксисульфиды и т.д.) перовскитоподобных материалов. Для всех этих классов материалов будут определены возможные типы полярных структур. 4. Будет проведен синтез и комплексное экспериментальное исследование кристаллической структуры, динамики решетки, микроструктуры, диэлектрических, пироэлектрических, сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств твердых растворов с конкуренцией ротационных и полярных искажений (прежде всего, промышленно-востребованной керамики системы (1-x)BiScO3-xPbTiO3). На основании декомпозиции атомных смещений, происходящих при R3m−R3c фазовом переходе, на вклады от различных параметров порядка, будут установлены особенности взаимного влияния наклонов кислородных октаэдров и полярных смещений на функциональные характеристики керамики. 5. Будет проведено комплексное теоретическое (включающее комбинацию квантово-механических и теоретико-групповых методов) и экспериментальное (включающее исследования кристаллической структуры, диэлектрических, пироэлектрических и сегнетоэлектрических свойств) исследование монокристаллов пирохлора Bi2Ti2O7 с целью установления роли искажений бетта-кристобалитного типа (т.е. вращения тетраэдров Bi4O’) в формировании низкотемпературного немагнитного геометрически фрустрированного состояния (это вещество рассматривается в целом ряде исследований как кандидат в необычное электронно-структурное состояние материи – “зарядовый лед”) и его релаксорных свойств. 6. Будут разработаны и оптимизированы индустриально-адаптированные технологические режимы изготовления диэлектрической керамики на основе исследуемых структур (прежде всего, Bi-содержащие пирохлоры) путем  привлечения современных методов консолидации с целью повышения функциональных характеристик. Новизна и актуальность обозначенной фундаментальной проблемы, определяют высокий уровень ожидаемых научных результатов в случае успешного выполнения проекта. На сегодняшний день в мировой научной литературе нет систематического решения фундаментальных научных задач, соответствующих планируемым результатам (1),(3) и (5), а проблема (2) имеет лишь фрагментарное решение (детали в лит. обзоре). Несмотря на большое количество работ, посвященных конкуренции ротационных и полярных искажений в перовскитах, планируемое (4) детальное исследование ее влияния на кристаллическую структуру и свойства на примере одной из самых распространенных пьезоэлектрических систем будет проведено впервые. О решении технологической задачи (6) в научной литературе нет никаких сведений; планируется получения патента. Полученные в ходе реализации проекта теоретические и экспериментальные результаты приведут к существенному расширению наших представлений о физических механизмах формирования свойств, обусловленных ротационными искажениями в многоподрешеточных кристаллах (для перовскитов ротационные искажения являются наиболее распространенным типом искажений). Результаты предполагаемых исследований станут научной основой стратегии создания новых функциональных материалов, востребованных для нужд наукоемких отраслей: электронной промышленности, энергетики, нанотехнологий, химических технологий. Укажем лишь некоторые из возможных практических применений планируемых результатов: (1) Материалы для производства солнечных батарей, фотокатализ, квантовые точки (галидные перовскиты); (2) Магнитоэлектрики и сегнетоэлектрики для наноэлектроники (несобственные сегнетоэлектрики); (3) Химически устойчивые диэлектрические и сегнетоэлектрические материалы (оксинитриды); (4) Пьезоэлектрические материалы различных назначений, в том числе высокотемпературные ((1-x)BiScO3-xPbTiO3); (5) Диэлектрические и фотокаталитические материалы (Bi2Ti2O7, Bi-содержащие пирохлоры); (6) Температурно-стабильные конденсаторные материалы (Bi-содержащие пирохлоры). Полученные в ходе реализации проекта знания будут также использоваться в рамках образовательной деятельности, проводимой участниками проекта. В частности, планируется издание учебного пособия, которое будет включать некоторые материалы заявленного исследования.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---