Журнал неорганической химии, 2020, T. 65, № 12, стр. 1581-1613

Влияние нейтронного облучения на характеристики фазовых переходов в многофункциональных материалах со структурой перовскита (обзор)

С. А. Иванов a, А. И. Сташ b*

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
119991 Москва, Ленинские горы, 1, Россия

b Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
119334 Москва, ул. Вавилова, 28, Россия

* E-mail: astas@yandex.ru

Поступила в редакцию 28.07.2020
После доработки 10.08.2020
Принята к публикации 10.08.2020

Аннотация

Нейтронное облучение современных неорганических материалов является эффективным способом дозированного введения дефектов в их кристаллическую и реальную структуры. Получаемые при этом экспериментальные данные важны как для фундаментального радиационного материаловедения, так и для нахождения путей полезного модифицирующего влияния облучения на свойства практически важных многофункциональных материалов со структурой перовскита. В обзоре рассмотрена специфика влияния нейтронного облучения на параметры кристаллической и реальной структур, многофункциональные свойства (сегнетоэлектрические, сверхпроводящие, нелинейно-оптические, магнитные и др.) кристаллов семейства перовскита со структурными фазовыми переходами различной природы. Подробно рассмотрено влияние радиационных дефектов на изменение локальных и макроскопических свойств кристаллов, что отражается на аномалиях этих свойств в области фазовых переходов. Показано, что особенно чувствительны к наличию дефектов свойства кристаллов-сегнетоэлектриков со структурой перовскита. Рассмотрены основные типы радиационно-индуцированных структурных состояний, включая механизмы и закономерности их формирования. Рассмотрены корреляционные зависимости между структурными изменениями в процессе облучения и эволюцией температур фазовых превращений. Показано, что, изменяя параметры облучения (дозу, радиационный отжиг, содержание примесей и концентрацию исходных дефектов определенного типа), можно направленно управлять кинетикой радиационной перестройки и в итоге радиационной стойкостью структуры. Кроме того, учет этих факторов позволяет обеспечить условия для формирования практически любого устойчивого при комнатной температуре метастабильного структурного состояния, близкого к тем, которые образуются в необлученных кристаллах на стадии предперехода. Изучение влияния нейтронного облучения прецизионными методами рентгеноструктурного анализа показывает, что структурные состояния, реализующиеся под действием радиации, стабильны в широком температурном интервале, включая комнатную температуру, причем устойчивость метастабильных состояний, как правило, возрастает с дозой облучения. Показано, что указанные радиационно-индуцированные состояния являются фактически новыми структурными состояниями, промежуточными между низко- и высокотемпературной модификациями кристаллов с перовскитной структурой. Из анализа литературных данных можно заключить, что радиационно-индуцированная перестройка структуры, аморфизация и распад исходного соединения являются во многих случаях конкурирующими процессами, активность которых зависит от дозы и температуры нейтронного облучения. Понижение температуры облучения часто приводит к замедлению распада и подавлению сопутствующей деформации кристалла, что имеет существенное значение для реализации и выявления структурных изменений в облученных кристаллах.

Ключевые слова: ионизирующее излучение, сегнетоэлектрики, радиационные дефекты, спонтанная поляризация, диэлектрические и магнитные свойства

DOI: 10.31857/S0044457X20120041

Список литературы

  1. Динc Дж., Винийард Дж. // Радиационные эффекты в твердых телах. М.: Изд-во иностр. литер., 1960. 243 с.

  2. Келли Б.Т. Радиационное повреждение твердых тел. М.: Атомиздат, 1970. 234 с.

  3. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М.: Мир, 1971. 367 с.

  4. Вайниард Дж. // Успехи физ. наук. 1961. V. 74. № 3. P. 435. https://doi.org/110.3367/UFNr.0074.196107b.0435

  5. Пешиков Е.В. Радиационные эффекты в сегнетоэлектриках Ташкент: Фан, 1986. 135 с.

  6. Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science. Springer: Heidelberg, 2007. 227 p.

  7. Stoller R.E. Comprehensive Nuclear Materials: Primary Radiation Damage Formation. N.Y.: Elsevier, 2012. 293 p.

  8. Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects. N.Y.: Oxford Univ. Press, 1993. 640 p.

  9. Конобеевский С.Т. Действие облучения на материалы. М.: Атомиздат, 1967. 401 с.

  10. Гощицкий Б.Н., Мень А.Н., Синицкий И.А. и др. Структура и магнитные свойства окисных магнетиков, облученных быстрыми нейтронами. М.: Наука, 1986. 176 с.

  11. Улманис У.А. Радиационные явления в ферритах М.: Энергоатомиздат, 1984. 160 c.

  12. Solov’ev S.P., Kuzmin I.I. // Izv. Akad. Sci. USSR, Ser. Fiz. 1970.V. 34. № 12. P. 2604.

  13. Желудев И.С. Физика кристаллов и их симметрия. М.: Наука, 1987. 187 с.

  14. Смоленский Г.А., Боков В.А., Исупов В.А. и др. Физика сегнетоэлектрических явлений. Л.: Наука, 1985. 396 с.

  15. Барфут Д., Тейлор Д. Полярные диэлектрики и их применение. М.: Мир, 1981. 526 с.

  16. Фесенко Е.Г. Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М., 1973. 248 с.

  17. Веневцев Ю.Н., Политова Е.Д., Иванов С.А. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М.: Химия, 1985. 150 с.

  18. Вул Б.М., Γольдман И.M. // Докл. АН. 1945. V. 46. № 4. С. 154.

  19. Kolontsova E.V. // Sov. Phys. Usp. 1987. V. 30. № 1. P. 64. https://doi.org/10.3367/UFNr.0151.198701g.0149

  20. Wittels M.C., Sherrill F.A. // J. Appl. Phys. 1957. V. 28. № 5. P. 606. https://doi.org/10.1063/1.1722811

  21. Schenk M. // Phys. Status Solidi. 1969. V. 36. № 1. P. K31. https://doi.org/10.1002/pssb.19690360150

  22. Hauser O., Schenk M. // Phys. Status Solidi. 1966. V. 18. № 2. P. 547. https://doi.org/10.1002/pssb.19660180208

  23. Weik H., Schneider J.R. // Phys. Letters. 1966. V. 19. № 8. P. 619. https://doi.org/10.1016/0031-9163(66)90410-0

  24. Rogers F.T. // J. Appl. Phys. 1956. V. 27. № 9. P. 1066. https://doi.org/10.1063/1.1722542

  25. Lefkowitz I., Mitsui T. // J. Appl. Phys. 1959. V. 30. № 2. P. 269. https://doi.org/10.1063/1.1735149

  26. Hilczer B. // Phys. Status Solidi. 1964. V. 5. № 3. P. K113. https://doi.org/10.1002/pssb.19640050327

  27. Quittet A.M., Lambert M. // J. Phys. Colloques. 1972. V. 33. № C2. P. 142. https://doi.org/10.1051/jphyscol:1972247

  28. Kobayashi S. // Electrical Engineering in Japan. 1974. V. 94. № 3. P. 15. https://doi.org/10.1002/eej.4390940303

  29. Demjanov V.V., Solov’ev S.P. // Revue de Physique Appliquee. 1972. V. 7. № 2. P. 81. https://doi.org/10.1051/rphysap:019720070208100

  30. Соловьев С.П., Кузьмин И.И., Харченко В.А. // Изв. АН СССР. Cер. физ. 1967. V. 31. № 11. P. 1751.

  31. Соловьев С.П., Кузьмин И.И., Закуркин В.В. // Радиационные эффекты в титанате бария. Титанат бария / Под ред. акад. Белова Н.В. М.: Наука, 1973. С. 77.

  32. Solov’ev S.P., Kuzmin I.I., Zakurkin V.V. et al. // J. de Physique. 1972. V. 33. № 4. P. 443. https://doi.org/10.1051/jphys:019720033040443000

  33. Solov’ev S.P., Kuzmin I.I., Zakurkin V.V. // Ferroelectrics. 1970. V. 1. № 1. P. 19. https://doi.org/10.1080/00150197008237663

  34. Kuzmin I.I., Solov’ev S.P., Zakurkin V.V. // Izv. Akad. Sci. USSR. Ser. Fiz. 1969. V. 33. P. 354.

  35. Zakurkin V.V., Solov’ev S.P., Kuzmin I.I. // Izv. Akad. Sci. USSR. Ser. Fiz. 1971. V. 35. P. 2018.

  36. Stash A., Ivanov S., Stefanovich S. et al. // Crystallography Reports. 2015. V. 60. № 5. P. 620. https://doi.org/10.1134/S1063774515050168

  37. Evans H.T. // Acta Crystallogr. 1961. V. 14. P. 1019.

  38. Harada J., Pedersen T., Barnea Z. // Acta Crystallogr., Sect. A: Found. Crystallogr. 1970. V. 26. P. 336. https://doi.org/10.1107/S0567739470000815

  39. Frazer B.C., Danner H.R., Pepinsky R. // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 745.

  40. Kwei G.H., Lawson A.C., Billinge S.J.L. et al. // J. Phys. Chem. 1993. V. 97. P. 2368. https://doi.org/10.1021/j100112a043

  41. Buttner R.H., Maslen E.N. // Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. 1992. V. 48. P. 764. https://doi.org/10.1107/S010876819200510X

  42. Cuong D.D., Lee J. // Integrated Ferroelectrics. 2011. V. 84. № 1. P. 23. https://doi.org/10.1080/10584580601077849

  43. Scott J.F. Ferroelectric Memories. Berlin: Springer, 2000. 248 p.

  44. Schenk M. // Phys. Status Solidi. 1969. V. 36. № 1. P. K31.

  45. Stash A.I., Ivanov S.A., Stefanovich S.Yu. et al. // Crystallography Rep. 2017. V. 62. P. 31. https://doi.org/10.1134/S1063774517010230

  46. Katz L., Megaw H.D. // Acta Crystallogr. 1967. V. 22. P. 639.

  47. Hewat A.D. // J. Phys. C: Solid State Phys. 1973. V. 6. P. 2559.

  48. Shuvaeva V.A., Antipin M.Yu. // Crystallography Reports. 1995. V. 40. P. 466.

  49. Kumada N., Kyoda T., Yonesaki Y. et al. // Mater. Res. Bull. 2007. V. 42. P. 1856.

  50. Ball C.J., Blake R.G., Cassidy D.J. et al. // J. Nuclear Mater. 1988. V. 151. P. 151.

  51. Schenk M. // Krist. Tech. 1966. V. 1. № 2. P. 305. https://doi.org/10.1002/crat.19660010216

  52. Trachenko K., Pruneda M., Artacho E. et al. // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 134112.

  53. Rice W.D., Ambwani P., Bombeck M. et al. // Nat. Mater. 2014. V. 13. P. 481.

  54. Schenk M. // Phys. Status Solidi. 1964. V. 4. № 1. P. K25.

  55. Schirmer O.F., Müller K.A. // Phys. Rev. B. 1973. V. 7. № 7. P. 2986. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.7.2986

  56. Park C.H., Chadi D.J. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. P. R13961.

  57. Сташ А.И., Иванов С.А. // Тез. VIII Национальной кристаллохимической конф. Суздаль, 2016. С. 216.

  58. Nelmes R.J., Kuhs W.F. // Solid State Commun. 1985. V. 54. P. 721.

  59. Glazer A.M., Mabud S.A. // Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. 1978. V. 34. P. 1065. https://doi.org/10.1107/S0567740878004938

  60. Shirane G., Pepinsky R., Frazer B.C. // Acta Crystallogr. 1956. V. 9. P. 131.

  61. Joseph J., Vimala T.M., Sivasubramanian V. et al. // J. Mater. Sci. 2000. V. 35. P. 1571.

  62. Haertling G.H. // J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 82. № 4. P. 797.

  63. Zhu W., Fujii I., Ren W. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2012. V. 95. P. 2906.

  64. Sternberg A., Shebanovs L., Birks E. et al. // Ferroelectrics. 1996. V. 183. № 1. P. 301.

  65. Kundzins K., Zauls V., Kundzins M. et al. // Ferroelectrics. 2001. V. 258. № 1. P. 285.

  66. Sternberg A., Spula A., Shebanovs L. et al. // Key Eng. Mater. 1997. V. 132–136. P. 1096. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.132-136

  67. Sternberg A., Shebanovs L., Birks E. et al. // Ferroelectrics. 1996. V. 183. № 1. P. 301. https://doi.org/10.1080/00150199608224117

  68. Miclea C., Tanasoiu C., Miclea C.F. et al. // J. Phys. IV France. 2005. V. 128. P. 115.

  69. Toacsan M.I., Ioachim A., Nedelcu L. et al. // Prog. Solid State Chem. 2007. V. 35. P. 531.

  70. Henriques A., Graham J.T., Landsberger S. et al. // AIP Advances. 2014. V. 4. № 11. P. 117125. https://doi.org/10.1063/1.4902179

  71. Weber H.W. // In Studies of High Temperature Superconductors. V. 3 / Ed. Narlikar A.V. N.Y.: Nova, 1989. P. 197.

  72. Weber H.W., Crabtree G.W., Umezawa A. et al. // High-TC Superconductors / Ed. Weber H.W. N.Y.: Plenum Press, 1988. P. 273.

  73. Umezawa A., Crabtree G.W., Liu J.Z. et al. // Phys. Rev. B. 1987. V. 36. P. 7151.

  74. Kirk M.A., Frischherz M.C., Liu J.Z. et al. // Philosophical Magazine Lett. 1990. V. 62. № 1. P. 41.

  75. Atobe K., Yoshida H., Okada M. et al. // J. Nucl. Sci. Technol. 1988. V. 25. P. 410.

  76. Коноплева Р.Ф., Борисов Б.А., Назаркин И.В. и др. // Физика твердого тела. 1998. Т. 40. С. 1961.

  77. Sandu V., Popa S., Sandu E. et al. // Rom. J. Phys. 2006. V. 51. P. 611.

  78. Kulikov D.V., Trushin Yu.A., Sauerzopf F.M. et al. // Physica C. 2001. V. 355. P. 245.

  79. Kulikov D.V., Trushin Yu.A. // Ferroelectrics. 2004. V. 308. № 1. P. 5. https://doi.org/10.1080/00150190490508666

  80. Aoki T., Ueda H., Ishiyama A. et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2011. V. 21. P. 3200.

  81. Fuger R., Eisterer M., Hengstberger F. et al. // Physica C. 2008. V. 468. P. 1647.

  82. Ueda H., Ishiyama A., Miyahara N. et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2008. V. 19. № 3. P. 2872.

  83. Lee S., Parkhomenko V.D., Skryabin Yu.N. et al. // Physica B: Condensed Matter. 2018. V. 551. P. 132. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.11.078

  84. Dash P., Dash B.N., Rath H. et al. // Indian J. Phys. 2009. V. 83. P. 485. https://doi.org/10.1007/s12648-009-0008-0

  85. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationship in Science and Technology. Group III. V. 4. Part B. Berlin: Springer-Verlag, 1970.

  86. Chukalkin Yu.G., Goshchitskii B.N. // Phys. Status Solidi A. 2003. V. 200. № 2. P. R9.

  87. Chukalkin Yu., Teplykh A., Goshchitskii B. // Phys. Status Solidi B. 2005. V. 242. № 8. P. R70.

  88. Dubinin S., Arkhipov V., Parkhomenko V. et al. // Physics of Metals and Metallography. 2002. V. 94. P. 565.

  89. Chukalkin Yu.G. // Phys. Solid State. 2013. V. 55. № 8. P. 1714.

  90. Weber W.J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2000. V. 166–167. P. 98.

  91. Motta J.T. // J. Nucl. Mater. 1997. V. 244. P. 227.

  92. Trachenko K. // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. V. 16. P. R1491.

  93. Weber W.J., Zhang Y., Wang L. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2012. V. 277. P. 1.

  94. Meldrum A., Boatner L.A., Weber W.J. et al. // J. Nuclear Mater. 2002. V. 300. P. 242.

  95. Gemmel D.S., Mikkelson R.C. // Phys. Rev. B. 1972. V. 6. P. 1613.

  96. Ahmadu U., Usman A.B., Muhammad A.M. et al. // Advanced Materials Proceedings. 2017. V. 2. № 9. P. 587.

  97. Cain M.G., Weaver P.M., Reece J. // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 27. P. 10394.

  98. Paternò G.M., Robbiano V., Santarelli L. // Sustainable Energy Fuels. 2019. V. 3. P. 2561.

  99. Wu Y. Material Neutron Irradiation Damage // Neutronics of Advanced Nuclear Systems. Singapore: Springer, 2019. P. 161. https://doi.org/10.1007/978-981-13-6520-1_6

  100. Patern G.M., Robbiano L., Santarelli L. et al. // Sustainable Energy Fuels. 2019. V. 3. P. 2561.

  101. Bittner R., Humer K., Weber H.W. et al. // J. Appl. Phys. 2004. V. 96. P. 3239.

Дополнительные материалы отсутствуют.