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《Science》发表我校科研团队在负热膨胀体系铁电研究领域获得的重要成果

——“相界面应变”制备出超强铁电薄膜

单位:冶金与生态工程学院 | 来源:本站原创 | 更新时间:2018-08-27 | 点击数:

一般而言,功能材料物理化学性质依赖于晶格的变化,调控材料的晶格应变可促使材料物理化学性质发生显著的变化,晶格应变调控也因此广泛地应用在超导、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。

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1 PbTiO3/PbO外延薄膜的微观结构

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2 巨大铁电极化及温度稳定性

近期,北京科技大学邢献然教授团队提出一种可简单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日发表在美国《Science》。北京科技大学张林兴博士为第一作者,陈骏教授和邢献然教授为通讯作者。

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。

附:论文链接 http://science.sciencemag.org/content/361/6401/494

(责编:邢华超)