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我国学者在负热膨胀体系铁电研究方面取得重要进展—“相界面应变”制备出超强铁电薄膜
2018年08月06日    作者: 黄宝晟,付雪峰,陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(项目编号:91422301、21731001、21590793)等资助下,近期,北京科技大学邢献然、陈骏教授团队提出一种简便的可实现应变工程的新方法—“相界面应变”(Interphase Strain),在超四方薄膜中实现了巨大铁电性。研究成果以“Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain”(通过相界面应变制备巨大极化的超四方薄膜)为题,于2018年8月3日发表在《Science》上。论文链接:http://science.sciencemag.org/content/361/6401/494。

一般而言,功能材料物理、化学性质依赖于晶格的变化,调控晶格应变可促使材料的物理、化学性质发生显著变化,围绕晶格研究与电荷、自旋及轨道之间的关联作用是固体化学的核心问题,调控晶格应变也因此广泛地应用于超导、巨磁阻、多铁、催化等领域。研究者们通常采用应变工程法,即通过薄膜与基体的晶格失配引入一定的应变,达到调控材料性质的目的。然而,薄膜与基体的晶格失配程度不能无限制地增加,晶格应变调控的范围也有限。铁电材料是一种重要的功能材料,广泛应用在铁电存储器、可调谐微波器件、大容量电容、压电传感器件等领域,铁电材料的丰富性质都利用了铁电极化这一基本的功能基元。其实,铁电体中还隐藏着一种新颖的性质——负热膨胀,即温度上升材料体积产生反常收缩,负热膨胀为调控材料热膨胀性质提供了契机。近二十年来,该研究团队在负热膨胀领域开展了深入的研究,报道了一类铁电体负热膨胀体系,并揭示了铁电极化对负热膨胀的作用机制。基于负热膨胀铁电体的研究结果,该团队最近提出“相界面应变”调控铁电体晶格应变方法,进而成功制备出“超强”铁电体薄膜。“相界面应变”的设想如下:如将两种晶格常数不同的物质形成晶格匹配的外延薄膜,小晶格的物质必然受到大晶格物质的拉应力,进而引入巨大应变。该团队在SrTiO3基底上将不同晶格参数的PbTiO3铁电体和PbO非铁电体形成晶格完全匹配的外延薄膜,研究表明,该方法将PbTiO3的晶格畸变提升到c/a = 1.238,而体相仅为1.065,薄膜剩余极化值高达236.3 μC/cm2,是目前已知铁电体最高值的近2倍。另外,这种铁电薄膜非常稳定,铁电相稳定温度从体相的490℃提高到了725℃。总之,这种“相界面应变”方法为设计新颖铁电体提供了新思路,也可以应用在其他多功能材料的设计当中。

该研究工作也得到美国德克萨斯大学达拉斯分校、以色列特拉维夫大学、英国圣安德鲁斯大学、清华大学、中国科学院等帮助与合作。

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图1 PbTiO3/PbO外延薄膜的微观结构

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图2 巨大铁电极化及温度稳定性

化学科学部  黄宝晟,付雪峰,陈拥军

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