Научные достижения

Микроскопика поверхности кристаллов-суперпротоников

Р.В. Гайнутдинов, А.Л. Толстихин, И.П. Макарова, Е.В. Селезнев, А.Л. Васильев

Кристаллы (NH4)3H(SeO4)2 принадлежат к семейству кислых солей щелочных металлов, проявляющих протонную проводимость при относительно невысоких температурах и перспективных для разработок в области энергоэффективных технологий. Применение комплекса физических методов, включая атомно-силовую, оптическую поляризационную и сканирующую электронную микроскопию, структурные исследования, позволили получить новые данные о реальной структуре, строении поверхности и локальных физических свойствах кристаллов. Впервые измерены локальные вольт-амперные характеристики (ВАХ),которые с высокой воспроизводимостью подтвердили наличие структурного фазового перехода при T≈308 K в суперпротонную фазу. Методом микроскопии пьезоэлектрического отклика исследована эволюция поверхности при фазовых переходах из сегнетоэластической в суперпротонную фазу. Установлено, что при изменении внешних условий на поверхности кристалла образуется слой непроводящей фазы переменного состава с отличающимися водородными подсистемами, и показано его влияние на измеряемые физические параметры.

(а) СЭМ -изображения пространственно-периодических

ориентирующих структур (слева), и фото микролазерного

элемента в поляризационном микроскопе; (b) схема микролазерного

элемента: 1 - поверхность, обработанная ионным пучком, для

периодической планарно-вертикальной ориентации ЖК;

2 - поверхность для вертикальной ориентации ЖК;

3 - деформированный геликоид; 4 - оптическая накачка; 5 - лазерная генерация.

1. R. Gainutdinov, E. Selezneva, I. Makarova, A. Vasiliev, A. Tolstikhina. // Surfaces and Interfaces, 2021. V. 23. P. 100952-1-9.

2. Р.В. Гайнутдинов, А.Л. Толстихина, Е.В. Селезнева, И.П. Макарова. Эволюция поверхности кристаллов (NH4)3H(SeO4)2 при фазовых переходах. // Кристаллография, 2021 г. Т. 66. С. 461—466.

3. Р.В. Гайнутдинов, А.Л. Толстихина, Е.В. Селезнева, И.П. Макарова. Комбинированная микроскопия сегнетоэластических кристаллов дигидроселената триаммония. // Известия РАН. Серия. Физ. 2021. Т. 85. № 8. С. 1081—1087.

Работа выполнена по теме ГЗ 1-1 и 1-3, Направления ПФНИ ГАН: 1.3.2.2. «Структурные исследования конденсированных сред, связь структуры и свойств».

Структура и свойства кристаллов-суперпротоников

И.П. Макарова, Е.В. Селезнева, А.Л. Толстихина, Р.В. Гайнутдинов,
В.В. Гребенев, В.А. Коморников, И.С. Тимаков

Исследования кристаллов-суперпротоников, начатые в Институте кристаллографии, привели к получению целого ряда новых соединений MmHn(AO4)(m+n)/2∙yН2О (М = K, Rb, Cs, NH4; AO4 = SO4, SO4, HPO4), имеющих высокую протонную проводимость, близкую к проводимости расплавов их солей, и перспективных для разработок в области энергоэффективных технологий. Применение комплекса физических методов, включая структурные исследования на установках класса «MegaScience», атомно-силовую микроскопию, импедансную спектроскопию, позволили с высокой точностью определить атомное строение кристаллов, их реальную структуру, установить формирование динамически разупорядоченных сеток водородных связей - механизм появления высокой проводимости, а также показать влияние изоморфного замещения на физические свойства и стабилизацию суперпротонных фаз. Впервые рядом методов установлено образование при комнатной температуре суперпротонной фазы в кристаллах (K1-x(NH4)x)3H(SO4)2, обусловленное соотношением заселенностей позиций K/N и закономерной координацией групп NH4.

Кристаллы (K1-x(NH4)x)3H(SO4)2: атомная структура (а);

монокристаллические образцы (б);

АСМ-изображение поверхности образцов (в);

локальные вольт-амперные характеристики (г).

1. В.В. Гребенев, И.П. Макарова Е.В. Селезнева, В.А. Коморников, И.С. Тимаков. Суперпротоники – новые материалы для энергоэффективных технологий. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020 г. №7. С. 14-17.
2. Р.В. Гайнутдинов, А.Л. Толстихина, Е.В. Селезнева, И.П. Макарова. Методы атомно-силовой микроскопии для исследования суперпротонных кристаллов. // Журнал технической физики, 2020 г. Т. 90. С. 1843-1849.

In-situ исследование фазового перехода в кристалле триглицинсульфата методами контактной и гибридной сканирующей пьезоэлектрической микроскопии

А. Л. Толстихина, Р.В. Гайнутдинов, Н.В. Белугина, А. К. Лашкова, А.С. Калинин, В.В. Атепалихин, В В. Поляков, В.А. Байков.

Методом сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика in situ в контактной и гибридной моде исследован фазовый переход второго рода сегнетоэлектрического кристалла триглицинсульфата в пределах одного градуса вблизи температуры Кюри (Тс). Впервые в критической области фазового перехода при переходе из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу обнаружено образование метастабильной одномерной квазипериодической поляризованной структуры. Расчет двумерных корреляционных функций позволил определить период структуры и проанализировать температурную динамику кристалла TGS в критической области. Наиболее четко квазипериодичность структуры проявляется при Т ≈ Тс – 0.2°. При температурах ниже Tc – 0.4° происходит разрушение квазипериодической структуры и образование обычной структуры сегнетоэлектрических 180°-ных доменов.

Результат важен для теории структурных фазовых переходов второго рода в кристаллах и объяснения аномального поведения физических свойств при фазовых переходах.

Метастабильная квазипериодическая одномерная структура, образующаяся в кристалле TGS вблизи температуры Кюри.

Масштаб: 5 × 5 мкм2. Микроскопия пьезоэлектрического отклика (контактный режим) (а).

Фурье-образ фазового изображения (б).

1. A.L. Tolstikhina, R.V. Gainutdinov, N.V. Belugina, A.K. Lashkova, А.S. Кalinin,V.V. Atepalikhin, V.V. Polyakov, V.A. Bykov. Study of the quasi – periodic one dimensional domain structure near TC of TGS crystal by PFM and Hybrid PFM methods. // Physica B: Condensed Matter, 2018 г. V. 550. P. 332-339.

Работа выполнена совместно с компанией NT-MDT Spectrum Instruments, Зеленоград.