Особенности получения и исследование электрофизических характеристик (ВеО + TiO2)-керамики методом импедансной спектроскопии

Получена электропроводная двухкомпонентная ВеО-керамика с добавками микро- и нанокристаллического порошка TiO₂, которая может быть использована в качестве материала поглотителя рассеянного СВЧ-излучения в электронных устройствах большой мощности. Природа возникновения электрической проводимости и поглощения СВЧ-поля в (ВеО + TiO₂)-керамике окончательно не установлена. Методом импедансной спектроскопии впервые исследованы электрические и диэлектрические характеристики данной керамики в диапазоне частот от 100 Гц до 100 МГц в зависимости от присутствия в составе ВеО-керамики микро- и наноразмерной фазы TiO₂. Установлено, что статическое сопротивление керамики с добавкой нанопорошка TiO₂ существенно уменьшается по сравнению с сопротивлением исходной керамики с микропорошком TiO₂. Показано, что действительная и мнимая компоненты диэлектрической проницаемости исследуемых керамик возрастают до аномально больших величин при понижении частоты действующего электрического поля, а в области высоких частот f ≥ 10⁸ Гц начинается процесс диэлектрической релаксации, приводящий к росту тангенса угла диэлектрических потерь. Определены диэлектрические характеристики образцов керамики в условиях блокирования сквозной проводимости. Рассмотрено влияние добавок микропорошка TiO₂ на процессы диэлектрической поляризации при увеличении частоты до 12·40⁹ Гц.

1. Edelstein, A. S. Nanoparticles: Synthesis, Properties and Applications / A. S. Edelstein, R. C. Cammarata. — Philadelphia. — 1996. — P. 170.

2. Кийко, В. С. Влияние добавок диоксида титана на физико-химические и люминесцентные свойства бе-риллиевой керамики / В. С. Кийко // Неорганические материалы. — 1994. — Т. 30, № 5. — С. 688-693.

3. Беляев, Р. А. Окись бериллия / Р. А. Беляев. — М. : Атомиздат, 1980. — 221 с.

4. Кийко, В. С. Получение, физико-химические свойства и пропускание СВЧ-излучения керамикой на основе ВеО / В. С. Кийко, С. Н. Шабунин, Ю. Н. Макурин // Огнеупоры и техническая керамика. — 2004. — № 10. — С. 8-17.

5. Кийко, В. С. Микроструктура и электропроводность композиционной (ВеО + ТЮ2)-керамики / В. С. Кийко, М. А. Горбунова, Ю. Н. Макурин [и др.] // Новые огнеупоры. — 2007. — № 11. — С. 68-74. [Kiiko, V. S. Microstructure and electric conductivity of composite (BeO + TiO2) ceramics / V. S. Kiiko, M. A. Gorbunova, Yu. N. Makurin [et al.] // Refract. Ind. Ceram. — 2007. — Vol. 48, № 6. — Р. 429-434.]

6. Вайспапир, В. Я. Бериллиевая керамика для современных областей техники / В. Я. Вайспапир, В. С. Кийко // Вестник воздушно-космической обороны. — 2018. — № 1 (17). — С. 59-69.

7. Кийко, В. С. Композиционная (ВеО + TiO2)-керамика для электронной и других областей техники / В. С. Кийко, А. В. Павлов // Новые огнеупоры. — 2017. — № 12.— С. 64-70. [Kiiko, V. S. Composite (BeO + TiO2)-ceramic for electronic engineering and other fields of technology / V. S. Kiiko, А. V. Pavlov // Refract. Ind. Ceram. — 2018.— Vol. 57. — P. 423-426.]

8. Пат. 2326091 Российская Федерация. Способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия / Ивановский А. Л., Кийко В. С., Акишин Г. П., Макурин Ю. Н. — № 2005140821/03 ; заявитель и патентообладатель — ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и ИХТТ УрО РАН ; заявл. 10.07.07 ; опубл. 10.06.08, Бюл. № 16.

9. Медведев, М. И. Сцинтилляционные детекторы / М. И. Медведев. — М. : Атомиздат, 1977. — 235 с.

10. Landmann, M. The electronic structure and optical response of rutile, anatase and brookite TiO2 / M. Landmann, E. Rauls, W. G. Schmidt // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2012. — Vol. 24, № 19. — Р. 1-6.

11. Thompson, T. L. Surface science studies of the photoactivation of TiO2 — new photochemical processes / T. L. Thompson, J. T. Yates // chem. Rev. — 2006. — Vol. 106, № 10. — P. 4428-4453.

12. Tang, H. Electrical and optical properties of TiO2 anatase thin films / H. Tang, K. Prasad, R. Sanjines, P. E. Schmid, F. Levy // J. Appl. Phys. — 1994. — Vol. 75, № 4. — P. 2042-2047.

13. Кузнецов, М. В. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия сложной оксидной керамики: BeO-TiO2-C / М. В. Кузнецов, В. С. Кийко, А. Л. Ивановский // Стекло и керамика. — 2010. — № 10. — C. 16-21.

14. Ушаков, А. В. Физико-химические свойства порошка TiO2, полученного в плазмохимическом реакторе низкого давления / А. В. Ушаков, А. А. Лепешев, И. В. Карпов, Г. Г. Крушенко // Технология металлов. — 2012. — № 10. — C. 27-32.

15. Кийко, В. С. Керамика на основе оксида бериллия: получение, физико-химические свойства и применение / В. С. Кийко, Ю. Н. Макурин, А. Л. Ивановский. — Екатеринбург : УрО РАН, 2006. — C. 324-332.

16. Беляев, Б. А. Исследование электрофизических характеристик катионзамещенной керамики гексаалюмината бария методом импедансной спектроскопии / Б. А. Беляев, Н. А. Дрокин, В. А. Полубояров // Физика твердого тела. — 2018. — T. 60, вып. 2. — С. 269-275.

17. Macdonald, J. Ross. Impedance spectroscopy / J. Ross Macdonald // Annals of Biomedical Engineering. — 1992. — Vol. 20. — P. 289-305.

18. Pradhan, D. K. Studies of dielectric relaxation and AC conductivity behavior of plasticized polymer nanocomposite electrolytes / D. K. Pradhan, R. N. P. Choudhary, B. K. Samantaray // Int. J. Electrochem. Sci. — 2008. — Vol. 3. — P. 597-608.

19. Dyre, J. C. Universality of AC conduction in disordered solids / J. C. Dyre, T. B. Schmder // Reviews of Modern Physics. — 2000. — Vol. 72, Issue 3. — P. 873-892.

20. Кийко, В. С. Получение и теплофизические свойства ВеО-керамики с добавками нанокристаллического диоксида титана / В. С. Кийко, А. В. Павлов, В. А. Быков // Новые огнеупоры. — 2018. — № 11. — С. 57-63.

21. Liu, J. Dielectric properties and maxwell-wagner relaxation of kompounds ACualuO^ (A = Ca, Bi2/3, Y2/3, La2/3) / J. Liu, Ch.-G. Duan, W. N. Mei, R. W. Smith, J. R. Hardy // J. Appl. Phys. — 2005. — Vol. 98, 093703. — P. 093703-1-093703-5.

22. Bordi, F. Dielectric spectroscopy and conductivity of polyelectrolyte solutions / F. Bordi, C. Cametti, R. H. Colby // J. Phys. Condens. Matter. — 2004. — Vol. 16. — P. 1423-1463.

23. Ненашева, Е. А. Керамические материалы для СВЧ-электроники / Е. А. Ненашева, О. Н. Трубицына, Н. Ф. Картенко, О. А. Усов // Физика твердого тела. — 1999. — T. 41, вып. 5. — С. 882-884.

24. Солодуха, А. М. Определение диэлектрических параметров керамики на основе дисперсии комплексного электрического модуля / А. М. Солодуха, З. А. Ли-берман // Вестник ВГУ, Серия физика, математика. — 2003. — № 2. — С. 67-71.

25. Malkin, A. I. Dielectric permittivity and permeability measurement system / A. I. Malkin, N. S. Knyazev // CEUR Workshop Proceedings. — 2017. — Vol. 1814. — P. 45-51.

26. Малкин, А. И. Измерение электродинамических параметров порошковых материалов / А. И. Малкин, Н. С. Князев, А. Г. Карпов // Метрология в радиоэлектронике. — 2018. — С. 74-80.