Измерительная установка для исследования и визуализации явления перколяции в неупорядоченных моделях нанокомпозитов металл-диэлектрик

В статье для исследования явления перколяции и визуализации каналов перколяции использован высоковольтный частичный пробой. Частичный пробой очень похож на квантовое явление туннелирования, наблюдаемое в нанокомпозитах металл-диэлектрик. Как в первом, так и во втором случаях для протекания электрического тока не требуется контакт между частицами металлической фазы.

Разработана и изготовлена измерительная установка, предназначенная для измерений моделей нанокомпозитов металл-диэлектрик с использованием высоковольтного частичного пробоя. В состав установки входят: высоковольтный трансформатор с максимальным напряжением до 110 кВ, регулятор напряжения первичной обмотки высоковольтного трансформатора, обеспечивающий постоянную скорость увеличения напряжения, измерительный зонд, вольтметры и компьютер. Сигналы от зонда и вольтметра с целью ограничения помех, связанных с сильным электрическим полем, передаются с использованием оптоэлектронного кабеля.

Разработаны и изготовлены двумерные модели нанокомпозитов, в которых частицы металлической фазы в форме металлических дисков размещены случайным образом на поверхности диэлектрической матрицы. Число металлических дисков во время измерений увеличивалось по 40 штук в серии до максимальной величины 1520.

Определена зависимость от концентрации металлической фазы одного из существенных параметров высоковольтного частичного пробоя – пороговое напряжение, выше которого между электродами начинает течь ток. На основании этих измерений определён порог перколяции для матрицы со случайным распределением элементов металлической фазы.

С помощью фотоаппарата, входящего в состав установки, зарегистрированы фильмы и фотографии явления частичного пробоя между элементами металлической фазы моделей, на которых видны каналы перколяции.

1. Czarnacka K., Koltunowicz T.N., Żukowski P., Fedotov A.K. Dielectric properties of multi-layer nanocomposites SiO_x /ZrO₂ after high temperature annealing. Ceram. Int., 2019, vol. 45, no. 5, pp. 6499–6502. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.12.139

2. Larkin A.V., Fedotov A.K., Fedotova J.A., Koltunowicz T.N., Żhukowski P. Temperature and frequency dependences of real part of impedance in the FeCoZr-doped PZT nanogranular composites. Mater. Sci. Pol., 2012, vol. 30, no. 2, pp. 75–81. DOI: 10.2478/s13536-012-0015-2

3. Nevill F. Mott and Edward A. Davis. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. Oxford University Press, 2012.

4. Okal P. Modeling of the percolation phenomenon of disordered two-dimensional systems. In Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019, vol. 11176, p. 90. DOI: 10.1117/12.2536741

5. Wang P., Zhang X., Lu X., Zheng W., Liu Q. A dual percolation model for predicting the connectivity of fractured porous media. Water Resour., 2016, vol. 43, no 1, pp. 95–110. DOI: 10.1134/S0097807816120095

6. Gold J. Isoperimetry in supercritical bond percolation in dimensions three and higher. Ann. l’institut Henri Poincare Probab. Stat., 2018, vol. 54, no. 4, pp. 2092–2158. DOI: 10.1214/17-AIHP866

7. Okal P., Rogalski P., Żukowski P. Visualization of the percolation phenomenon in two-dimensional arrangement of metallic spherical particles. In Proceedings of SPIE − The International Society for Optical Engineering, 2017, vol. 10445. DOI: 10.1117/12.2280152

8. Jacobsen J.L. High-precision percolation thresholds and Potts-model critical manifolds from graph polynomials. J. Phys. A Math. Theor., 2014, vol. 47, no. 13, p. 135001. DOI: 10.1088/1751-8113/47/13/135001

9. Hassan M.K., Rahman M.M. Percolation on a multifractal scale-free planar stochastic lattice and its universality class. Phys. Rev. E − Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys., 2015, vol. 92, no. 4, рр. 040101-1− 040101-6. DOI: 10.1103/PhysRevE.92.040101

10. Torquato S., Jiao Y. Effect of dimensionality on the continuum percolation of overlapping hyperspheres and hypercubes. II. Simulation results and analyses. J. Chem. Phys., 2012, vol. 137, no. 7. DOI: 10.1063/1.4742750