Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ТЕМПЕРАТУРНО–ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ NA-Β-ГЛИНОЗЁМА

Андриянова Н.П. Барышников С.В. Маловицкий Ю.Н.
Вещества, обладающие в твёрдом состоянии ионной проводимостью соизмеримой с проводимостью жидких электролитов, называются твердыми электролитами. К таким веществам относятся алюминаты натрия (Na2O∙nAl2O3). Наиболее известными представителями которых являются Na-β(β′′)-глинозёмы. Химические формулы этих модификаций глинозёма имеют вид Na2O∙11Al2O3 и Na2O∙6,5Al2O3, соответственно.

В этих веществах наблюдается большая подвижность ионов натрия при комнатной температуре, а при температурах 130 - 200К обнаружен фазовый переход, который интерпретируется как переход в суперионное состояние. Помимо скачка электропроводности в процессе перехода наблюдается также λ - точка в температурной зависимости теплоёмкости, характерная для фазовых переходов первого рода. Вместе с тем теория твердых электролитов слабо разработана вообще и для Na-β-глинозёмов в частности. Так, не известна функция распределения плотности локализованных состояний в запрещенной зоне, не найдены легирующие добавки оптимальным образом создающие распределение кластерных группировок (AlO4)5- и (AlO6)9- и стабилизирующие неустойчивую кристаллическую структуру.

Целью данной работы являлось исследование влияния примесных атомов с различной электронной структурой на диэлектрические свойства Na-β-глинозёмов. В качестве объекта исследования были выбраны образцы Na-β-глинозёма легированного Cu, Y и Pb в количестве 3-6 ат.%. Образцы для измерения готовились по методике описанной в [1]. Предполагалось что ионы Cu и Y, как элементы с малой энергией вырождения электронных уровней, могли повлиять на электронную подсистему твердого электролита; ионы Pb могли изменить фононный спектр.

Диэлектрические измерения проводились на частотах 102, 103, 104 и 106 Hz. На частотах 102, 103, 104 Hz использовался измеритель импеданса E7-14, на частоте 106 Hz - E7-12. В качестве электродов использовались электроды из возжонного серебра. Исследования проводились в температурном интервале 300 - 600 К. Температурная стабилизация составляла порядка 1 K. Перед измерениями для удаления адсорбированной воды образцы прогревались и выдерживались около часа при температуре порядка 400 К.

Как показывают исследования, при комнатной температуре диэлектрическая проницаемость на частоте 102 Гц имеет значения порядка 103 и с ростом частоты убывает до значений порядка 50 на частоте 106 Гц. Причем частотную зависимость диэлектрической проницаемости для Na-β-глинозёмов нельзя описать простой формулой Дебая, что говорит о некотором наборе поляризационных механизмов с различными временами релаксации. Используя аналитическую зависимость для диэлектриков с большим числом времен релаксаций:

 (1)

получаем, что для совпадения экспериментальных точек с теоретической кривой (1) при комнатной температуре приходится положить что: wt >>1, De >> e¥, a = 0,76 для частот 102 ¸103 Гц и a = 0,74 для частот 103¸106 Гц. С ростом температуры происходит рост e, tgd и уменьшение коэффициента a (см. таблицу).

Таблица 1. Зависимость роста температуры и роста e, tgd и уменьшение коэффициента a

T.К

ε′ (102 Гц)

ε′  (103 Гц)

ε′ (104 Гц)

a

295

685

335

186

0,75

375

1846

661

331

0,71

475

55812

8526

2150

0,41

575

412943

34549

5889

0,29

При введении примесей появляется дополнительный механизм релаксации, что хорошо заметно на кривых tgd(w).

Рисунок 1. Зависимость tgδ от T для Na-β-глинозёма легированного Cu

Для описания дисперсии ε Na-β-глинозёмов легированных Cu, Y и Pb, в которых спектр является размытым, важен параметр α, характеризующий распределение времен релаксации. Он может быть найден из экспериментальных данных.

На рисунках 2 - 4 представлены полученные зависимости α от Т. При температурах 380 - 400 K наблюдаются пики, которые возможно связаны с наличием кристаллизационной воды в образцах.

Рисунок 2. α(T) для Na-β-глинозёма легированного Cu, Pb и Y

Зная температурные зависимости tgδ при различных частотах можно получить величины потенциального барьера для исследуемых веществ, воспользовавшись формулой:

  (2)

Произведя вычисления получаем следующие значения:

UPb=0,85 эВ, UCu=0,91 эВ, UY=1,51 эВ.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что при температурах ниже 600 К в Na-β-глиноземах необходимо учитывать многоосцилляторные процессы. При температурах выше 600 K эти процессы перестают действовать и становится возможным описать частотную зависимость диэлектрической проницаемости простой формулой Дебая.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Левицкий Ю.Т., Маловицкий Ю.Н., Пушкин А.А. Электронная электропроводность в системе Na2O∙nAl2O3 - Y2O3. Неорганические материалы. - 2003, №9. - С. 971.

Библиографическая ссылка

Андриянова Н.П., Барышников С.В., Маловицкий Ю.Н. ТЕМПЕРАТУРНО–ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ NA-Β-ГЛИНОЗЁМА // Успехи современного естествознания. – 2005. – № 6. – С. 42-43;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=8627 (дата обращения: 05.07.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074