Дисертаційна робота присвячена встановленню впливу розмірних ефектів на діелектричні, піроелектричні (ПЕ) та електрокалоричні (ЕК) характеристики сферичних фероелектричних (ФЕ) наночастинок в приладах мікро- на наноелектроніки, таких як ПЕ сенсори та твердотільні охолоджувачі.
ФЕ матеріали є незамінними елементами ПЕ сенсорів та ЕК охолоджувачів, які є актуальним для існуючих та інноваційних рішень у галузі безпеки та енергетики. Однак, усі існуючі фероелектрики вимагають значного вдосконалення своїх робочих характеристик, щоб задовольнити сучасні вимоги до передових багатофункціональних пристроїв. Дослідження нанорозмірних фероелектриків є перспективним з точки зору можливості керування властивостями композиту шляхом підбору розміру наночастинок з метою досягнення максимального ЕК відгуку та ПЕ перетворення.
Використовуючи теоретичний підхід Ландау-Гінзбурга-Девоншира, аналітично розраховано типові залежності параметрів ПЕ та ЕК перетворення від зовнішнього електричного поля, температури та радіусу для сферичних монодоменних ФЕ наночастинок типу «ядро-оболонка». Розглянута фізична модель відповідає нанокомпозитам з малою концентрацією ФЕ наночастинок. В межах аналітичної моделі з’ясовано, як зміна розміру наночастинок впливає на температуру та поведінку параметрів ПЕ та ЕК перетворення в електричному полі на прикладі наночастинок BaTiO3, вкритих напівпровідниковою оболонкою та поміщених у діелектричний полімер.
Показано, що змінюючи розмір частинки можна отримати максимуми ПЕ коефіцієнта і зміни ЕК температури, а також змінювати їхні ширину, величину та знак. Розглянутий розмірний ефект відкриває можливість керування ПЕ та ЕК властивостями ФЕ нанокомпозитів, що може бути важливим для поширення їх застосування у перетворювачах енергії та охолоджувальних системах.
Розглянуто вплив ансамблю невзаємодіючих сферичних однодоменних ФЕ наночастинок типу «ядро-оболонка» різного розміру, вбудованих в діелектричну матрицю. Функція розподілу за розмірами цих наночастинок вибирається як усічений розподіл Гауса. Для таких нанокомпозитів обчислено залежності електричної поляризації, зміни ЕК температури, ПЕ та ЕК коефіцієнтів та діелектричної проникності від зовнішнього електричного поля та температури. Проаналізовано залежність перелічених характеристик від параметрів функції розподілу частинок за розміром.
Розраховано та проаналізовано залежності ПЕ факторів якості від середнього радіуса наночастинок у композиті. Залежності підтверджують наявність фазового переходу, індукованого розміром наночастинок. Отримані результати відкривають нову можливість керування ПЕ і ЕК параметрами ФЕ нанокомпозитів через параметри розподілу наночастинок за розмірамиcc.
Досліджено вплив пружної анізотропії, електрострикції, флексоелектрики та деформації невідповідності на морфологію доменної структури в ФЕ наночастинках типу «ядро-оболонка» сферичної форми. Проведено моделювання скінченних елементів (МСЕ) для багатовісних ФЕ ядер наночастинок, покритих пружно-ізотропною м’якою або пружно-анізотропною жорсткою параелектричною оболонкою, з деформаціями невідповідності. Останні індукуються різницею сталих ґратки ядра та оболонки.
Також нами вивчено вплив радіуса ядра на температурну поведінку морфології доменної структури, значення поляризації та температуру фазового переходу, отримано наближені аналітичні вирази для аналізу впливу пружних властивостей оболонки, і деформації невідповідності на фазові діаграми. Фазова діаграма ядра, вкритого пружно-ізотропною м’якою оболонкою, показує відносно невелике, але помітне підвищення температури фазового переходу параелектрик-фероелектрик, викликане флексоелектричним зв’язком, тоді як фазова діаграма для ядра, покритого пружно-анізотропною жорсткою оболонкою виявляє відносно сильний вплив деформації невідповідності. Ефект флексоелектричного зв’язку незначний для жорстких оболонок.
Отримані аналітичні результати дозволяють підбирати оптимальні параметри для досягнення високих значень ПЕ коефіцієнту або ЕК зміни температури ансамблю не взаємодіючих наночастинок ядро-оболонка, що важливо для перетворювачів енергії та систем охолодження. ФЕ наночастинки ядро-оболонка, поляризація яких розташована у вихороподібній структурі з різними типами точок Блоха та / або диполярних ядер, є перспективними кандидатами для нанорозмірних польових транзисторів та логічних блоків.
