Российские ученые создали экологичный материал для датчиков

Исследователи Южно-Уральского государственного университета в составе международной команды ученых синтезировали керамический материал, который подходит для создания датчиков давления, температуры, электрического и магнитного поля. Материал является более экологичным по сравнению с имеющимися аналогами и относится к классу мультиферроиков. Проведенные эксперименты дали возможность изучить особенности изменения кристаллической структуры и физических свойств таких материалов в области фазовых переходов. Статья о разработке керамических материалов с заданными свойствами посредством химического замещения ионов опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Nanomaterials».

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 негативное влияние 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) — одним из самых перспективных мультиферроиков. Замещая ионы железа и висмута, ученые исследовали структурные фазовые переходы керамики BiFeO3-BaTiO3 и установили, 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 внешним воздействиям, таким как температура, электрическое и магнитное поле, давление. То есть они могут использоваться в качестве сенсоров внешних воздействий», — пояснил старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» факультета «Материаловедение и металлургические технологии» Политехнического института ЮУрГУ Дмитрий Карпинский.

Фото: датчики температуры

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

От объемной керамики к тонким пленкам

По окончании исследования ученые выявили взаимосвязь между типом и величиной структурных искажений в зависимости от концентрации ионов-заместителей, определили эволюцию пьезоэлектрических свойств (поляризация материала под действием механических напряжений). Данные были получены для широкого интервала температур и концентраций ионов-заместителей. На основании полученных результатов была построена фазовая диаграмма.

Фото: Структурная фазовая диаграмма составов Bi1-xBaxFe1-xTixO3 с 0 < x < 0.5, фазовые границы показаны пунктирными линиями, область, приписываемая усилению ромбоэдрического искажения, отмечена как R+.

«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, так как такая форма получения материала наиболее востребована промышленностью. Безусловно, пока рано говорить о масштабном производстве, но в рамках отработки технологии мы планируем получить пробные партии материалов, 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 одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией, экологией.

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