【虚拟专辑】介电、铁电、压电材料(202409)

增材制造柔性压电材料的现状与展望

魏相霞, 张晓飞, 徐凯龙, 陈张伟

无机材料学报    2024, 39 (9): 965-978.

柔性压电材料作为一类重要的功能材料, 具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点, 可以实现机械能和电能的相互转换, 并贴附在人体上实时获取人体或环境信息, 在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求, 增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈, 极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能, 从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上, 系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类, 包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等; 总结了增材制造柔性压电材料的结构, 主要有多层结构、多孔结构和叉指结构; 介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展; 最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

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柔性压电器件及其可穿戴应用

冒爱琴, 陆文宇, 贾洋刚, 王冉冉, 孙静

无机材料学报    2023, 38 (7): 717-730.

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

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W/Cr共掺杂对CaBi₂Nb₂O₉陶瓷晶体结构及电学性能的影响

黄建锋, 梁瑞虹, 周志勇

无机材料学报    2024, 39 (8): 887-894.

铌酸铋钙(CaBi2Nb2O9, CBN)是一种典型的铋层状结构压电材料, 具有高居里温度(约943 ℃)、高稳定性等特点, 是600 ℃以上高温压电振动传感器的重要候选功能元件, 但其压电系数和高温电阻率较低, 严重制约了CBN在高温压电振动传感器领域的实际应用。为了提高CBN压电陶瓷的高温稳定性, 采用固相法制备了W/Cr共掺杂的CaBi2Nb1.975W0.025O9-x%Cr2O3(CBNW-xCr, 0<x≤0.2)单相铋层状结构压电陶瓷, 研究了W/Cr元素共掺杂对晶体结构和电学性能的影响。结果表明: W/Cr元素共掺杂使压电陶瓷晶体结构由正交晶系向四方晶系转变, 晶体结构畸变程度增强, 并且压电性能和绝缘性能显著提高。当x=0.1时, CBNW-0.1Cr压电陶瓷的居里温度为931 ℃, 压电系数为15.6 pC/N, 600 ℃时电阻率达到106 Ω∙cm量级, 介电损耗仅为0.029, 该体系在高温压电领域有重要的潜在应用前景。

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具有优异储能性能与充放电特性的类线性NaNbO₃基无铅弛豫反铁电陶瓷

石睿健, 雷俊伟, 张祎, 谢爱文, 左如忠

无机材料学报    2024, 39 (4): 423-431.

反铁电材料由于电场诱导的反铁电-铁电相变而在高性能介质储能电容器应用中显示出极大的潜力。然而, 场致相变带来大的极化滞后使得反铁电材料难以同时获得高储能密度(W_rec)和高储能效率(η)。本工作通过在0.76NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃中引入第三组元Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃调控其弛豫特性, 改善了NaNbO3基无铅反铁电陶瓷的储能性能。采用传统固相合成法制备了(0.76-x)NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫反铁电陶瓷材料, 并研究了该材料的相结构、微观形貌以及介电、储能和充放电特性。结果表明, 引入Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃在不改变基体反铁电正交R相结构的基础上明显增强了陶瓷的介电弛豫特性, 显著减小了陶瓷的极化滞后性。特别是在x=0.050组成中实现了具有极低滞后的类线性电滞回线。同时, 陶瓷的显微形貌还得到明显改善, 介电常数降低, 击穿场强显著提高。因此, x=0.050的组成在30 kV/mm的中等电场下同时获得了高的储能密度W_rec=3.5 J/cm³与储能效率η=93%。此外, x=0.050组成还显示出优异的充放电特性, 在20 kV/mm下具有高功率密度P_D=131(1±1%) MW/cm³、高放电能量密度W_D=1.66(1±6%) J/cm³以及快的放电速率t_0.9<290 ns。该充放电特性在25~125 ℃的宽温区内保持良好的稳定性。这些研究结果表明, 0.71NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-

0.050Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃陶瓷是一种非常有应用潜力的高功率储能电容器介质材料。

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0.9BaTiO₃-0.1Bi(Mg_1/2Ti_1/2)O₃铁电薄膜制备及储能特性

刘松, 张发强, 罗进, 刘志甫

无机材料学报    2024, 39 (3): 291-298.

电介质薄膜是通过介质极化方式存储静电能的一种材料, 以其高功率密度和高充放电效率, 在电子器件领域得到广泛应用。目前, 储能密度较低和温度稳定性差仍是电介质储能薄膜的缺陷。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了0.9BaTiO3-0.1Bi(Ti1/2Mg1/2)O3(0.9BT-0.1BMT)薄膜, 通过引入BMT期望获得高储能密度及宽温度稳定性, 并研究了退火温度对薄膜的相组成和微观形貌的影响。研究结果表明, 退火温度过高会导致薄膜的致密性明显降低并伴随晶粒尺寸增大, 750 ℃是最佳的退火温度。综合性能研究发现, 1 kHz下, 薄膜的室温介电常数为399, 介电损耗为5.8%。薄膜在各测试频率下的介电温度稳定性满足X9R标准, ∆C/C25 ℃≤±13.9%。通过Currie-Weiss关系计算得到薄膜的弛豫系数(Relaxor value)γ值为≈1.96, 说明其具有明显的弛豫特性。储能特性研究显示, 薄膜的室温储能密度Wrec达51.9 J/cm3, 室温~200 ℃的宽温度范围内, 储能密度Wrec>20 J/cm3, 可释放能量效率η>65%(1600 kV/cm)。在脉冲放电测试中, 薄膜的脉冲放电时间τ0.9保持在15 μs以内, 且具有优异的频率、温度和循环可靠性。本研究所制备的0.9BT-0.1BMT铁电薄膜具有出色的储能特性和宽温度稳定性, 具备在高温环境中应用的潜力。

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MXene在压力传感中的研究进展

尹建宇, 刘逆霜, 高义华

无机材料学报    2024, 39 (2): 179-185.

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti3C2Tx是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

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CIPs@Mn_0.8Zn_0.2Fe₂O₄-CNTs复合材料低频吸波性能研究

陈海燕, 唐志鹏, 尹良君, 张林博, 徐鑫

无机材料学报    2024, 39 (1): 71-80.

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展, 低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前, 中高频段吸波材料的研究已趋于成熟, 而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战, 亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制, 本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法, 诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长, 制备出CIPs@Mn0.8Zn0.2Fe2O4-CNTs三元复合材料, 对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明, 引入碳纳米管, 一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制, 增加了材料的衰减系数; 另一方面基于四分之一波长相消机制, 高介电与高磁导率的耦合, 使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终, 在4 mm厚度下, 样品分别在2.11与1.75 GHz处, 获得了-40.8与-32.1 dB的反射损耗, -10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单, 低频吸收性能良好, 具有很大的应用潜力, 为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

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悬浮液等离子喷涂制备Y₂O₃涂层及耐等离子刻蚀性

马文, 申喆, 刘琪, 高元明, 白玉, 李荣星

无机材料学报    2024, 39 (8): 929-936.

随着高端芯片竞争的白热化, Y2O3涂层作为等离子体刻蚀工艺腔的重要组成部分, 对其研究逐渐成为科研热点。利用悬浮液等离子喷涂(Suspension Plasma Spraying, SPS)在铝合金表面制备Y2O3涂层, 研究了不同工艺参数对涂层的物相组成、力学性能、显微形貌和介电强度等的影响; 在CF4/Ar/O2氟等离子体环境中对Y2O3涂层分别刻蚀30、60、120 min后, 分析了Y2O3涂层微观孔隙率对刻蚀速率的影响。最优工艺1(喷涂距离80 mm、送液速率35 mL/min、雾化气流速15 L/min、横向移枪速率700 mm/s、纵向移动步进1 mm/step)制备的Y2O3涂层的显微硬度为(3.78±0.36) GPa, 孔隙率为(2.35±0.24)%, 结合强度为(36.0±3.6) MPa, 介电强度为(29.74±2.01) kV/mm。在CF4/Ar/O2组成的混合等离子气体中, Y2O3涂层发生物理和化学反应, Ar+对涂层强烈冲击、轰击诱导, 使表面化学键断裂; CF2*和F*使Y2O3不断被刻蚀, 生成的YF3附着在涂层表面; 同时Ar+不断对涂层表面进行物理冲击, 去除YF3层, 少量残余在涂层表面的YF3被氧化形成了YOF, 最终导致涂层刻蚀率低至(11.48±5.21) nm/min。高致密性、低孔隙率、高均匀性的Y2O3涂层可以有效提高零件的耐等离子刻蚀性能, 对半导体工业具有重要意义。

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LGT晶体高温电阻率与全矩阵材料系数表征

苏茂心, 李昕宸, 熊开南, 王升, 陈云琳, 涂小牛, 施尔畏

无机材料学报    2023, 38 (11): 1364-1370.

基于声表面波(Surface acoustic wave, SAW)技术的无线无源器件是在极端条件下工作的首选传感器, 其中压电衬底在高温环境下的稳定性是影响SAW器件性能的关键因素。钽酸镓镧(LGT)晶体因电阻率高和稳定性好, 是SAW器件理想的高温压电衬底。为了全面评估LGT晶体的高温电阻率和材料系数稳定性, 本工作分别测试了纯LGT和掺铝钽酸镓镧(LGAT)晶体在氧气、氮气和氩气气氛中的高温电阻率, 并采用超声谐振谱(Resonant ultrasound spectroscopy, RUS)技术定征了纯LGT晶体高温全矩阵材料系数。电阻率测试结果显示, 在不同气氛下LGT晶体的高温导电行为明显不同, 纯LGT晶体在400~525 ℃范围内, 氮气中的电阻率最高; 在525~700 ℃范围内, 氩气中的电阻率最高, 700 ℃电阻率高达2.05×106 Ω·cm; 而对于LGAT晶体, 在整个测试温度区间氮气中的电阻率均最高, 700 ℃电阻率达1.12×106 Ω·cm, 略低于纯LGT晶体。高温全矩阵材料系数测试结果显示, 室温~400 ℃范围内, LGT晶体的电弹性能稳定, 随着温度升高, 弹性系数略有降低, 而压电系数d11几乎保持不变。以上结果表明, LGT晶体在高温下具有非常高的电阻率和材料稳定性, 适合作为压电衬底用于制备高温压电器件。本工作的研究结果为LGT基高温压电器件的设计与制备奠定了基础。

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层状结构第二相增强BiFeO₃-BaTiO₃陶瓷电阻率研究

康文烁, 郭晓杰, 邹凯, 赵祥永, 周志勇, 梁瑞虹

无机材料学报    2023, 38 (12): 1420-1426.

BiFeO3-BaTiO3(BF-BT)陶瓷兼具高居里温度和优异的压电性能, 在高温压电传感器和驱动器等部件具有广泛的应用前景。BF-BT陶瓷在高温环境下电阻率较低, 易造成器件高温性能恶化甚至失效。因此, 改善BF-BT陶瓷电阻性能是应用推广必须解决的关键问题。作为一种铁酸盐, 其电阻率很难通过掺杂改性等常规方法进行改善。本研究在BF-BT陶瓷体系中发现一种电阻率异常升高的现象, 并证实这与样品中的第二相Bi25FeO40有关。显微结构分析表明, 该第二相具有一种特殊的层状周期性结构, 其中每三排原子构成一个周期, 而缺陷大多集中在其中一层原子当中。本研究采用传统固相法成功地制备出纯相的Bi25FeO40, 将其作为外添加剂加入到0.70BF-0.30BT组分中, 使基体组分在300 ℃的电阻率从1.03 MΩ·cm提高到4.33 MΩ·cm。此外, COMSOL仿真模拟的结果证实, 通过引入该第二相可以将0.67BF-0.33BT组分电阻率提高一个数量级。根据能量过滤效应, 这种特殊的结构具有高能垒, 可以阻碍载流子迁移, 从而提高BF-BT陶瓷电阻率。本工作为改善BF-BT陶瓷电阻率提供了一种切实可行的方法。

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锶钽氧氮化物功能陶瓷的高效合成、致密化及介电性能研究

李俊生, 曾良, 刘荣军, 王衍飞, 万帆, 李端

无机材料学报    2023, 38 (8): 885-892.

AB(O,N)3型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料, 具有独特的介电/磁/光催化等性能, 在能源存储与转化领域应用前景广阔, 但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体, 采用无压放电等离子烧结设备一步合成了钙钛矿氮氧化物SrTa(O,N)3陶瓷粉体, 并实现了快速致密化。深入研究了升温速率和合成温度对粉体组成与微观形貌的影响, 并对优化后制备的陶瓷块体进行了介电性能表征。结果表明, 较高的升温速率和适中的合成温度有利于氮化反应的充分进行, 在100 ℃/min和1000 ℃下制得的SrTa(O,N)3粉体纯度最高, 氧氮化物相含量约97%, 粒径分布区间为100~300 nm, Sr、Ta、O、N 四种元素分布均匀。较优的致密化工艺为烧结温度1300 ℃、升温速率300 ℃/min、保温时间1 min, 经烧结制得的SrTa(O,N)3陶瓷试片致密度可达94%以上, 且纯度很高, 该材料在300 Hz时的介电常数高达8349, 介电损耗为10-4量级, 优于文献报道值。本研究制备的SrTa(O,N)3陶瓷的高介电常数与致密度和纯度的调控密不可分, 这是因为气孔和杂质会降低材料介电常数, 高致密度和高纯度是SrTa(O,N)3氧氮化物陶瓷获得优异介电性能的关键。

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PZT陶瓷本构行为与断裂性能的相关性研究

王雪瑶, 王武港, 李应卫, 彭奇, 梁瑞虹

无机材料学报    2023, 38 (7): 839-844.

铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。

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铁电超晶格的研究进展

林俊良, 王占杰

无机材料学报    2023, 38 (6): 606-618. 

铁电超晶格是由两种或两种以上的铁电材料或非铁电材料在晶胞尺度下交替生长而形成，并具有层状周期性结构的人工薄膜材料。铁电超晶格由于其中存在大量的异质界面, 异常显著的界面效应使其具有优异的铁电、压电、介电和热释电等性能, 甚至表现出其构成材料不具备的新功能特性。铁电超晶格不仅为研究复杂氧化物材料界面电荷和晶格之间的相互作用提供了一个理想的平台, 还将在下一代集成铁电器件中发挥不可或缺的作用。随着制备和表征手段不断进步, 研究人员能够在原子尺度上设计和调控铁电超晶格的微结构和化学成分以提高铁电超晶格的功能特性。铁电极化是铁电薄膜材料最基本的性质, 除了用于信息存储, 还在调节集成铁电器件(如压电器件、光伏器件和电热器件)的能量转换性能方面也发挥着重要作用。因此, 铁电超晶格的铁电极化强度的大小直接决定了由其构成的集成铁电器件的功能特性和实际应用价值。本文首先介绍了铁电超晶格的结构特征、分类以及几种典型的功能特性, 然后结合近期的研究结果重点阐述了影响铁电超晶格极化性能的几种因素, 包括应变效应、静电耦合效应、缺陷效应和周期厚度等, 最后展望了铁电超晶格的未来研究方向, 以期为该领域的研究提供参考。

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高储能密度聚合物基多层复合电介质的研究进展

谢兵, 蔡金峡, 王铜铜, 刘智勇, 姜胜林, 张海波

无机材料学报    2023, 38 (2): 137-147.

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。

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柔性PDMS基介电复合材料的电场及击穿损伤形貌演变规律研究

陈雷, 胡海龙

无机材料学报    2023, 38 (2): 155-162. 

与其它储能设备相比, 由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势, 如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能, 本工作基于DBM(Dielectric Breakdown Model, 介电击穿模型), 采用有限元数值模拟, 研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明: 填料与基体边界处存在较大的介电差异, 可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域, 继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时, 其树状损伤通道更容易产生分支, 此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多, 延缓其损伤速度, 继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。

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压力对PbTiO₃结构和热物性质影响的第一性原理研究

文志勤, 黄彬荣, 卢涛仪, 邹正光

无机材料学报    2022, 37 (7): 787-794.

PbTiO3是一种重要的铁电功能材料, 但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确, 从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛酸铅(CP-PTO)、四方前驱体相钛酸铅(PP-PTO)结构和热物性质。研究发现, 三种结构可压缩性由大到小依次为PP-PTO>TP-PTO>CP-PTO。能带结构和态密度均表明PTO在研究的压力范围内未发生相变。PTO带隙随着压力增大逐渐降低, TP-PTO在20 GPa由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体, 其余两相在压力下恒为直接带隙半导体。PTO在0~30 Gpa范围力学稳定, 且具有各向异性, 其综合力学性能随着压力的增加而增强, 各向异性则是先降低后升高。通过准谐德拜近似理论研究了温度和压力对PTO德拜温度、熵、热容的影响, 结果表明德拜温度随着温度上升而下降, 随着压力增大而上升, 反映出共价键强度依次为CP-PTO>TP-PTO> PP-PTO。熵和热容随着温度上升而上升, 随着压力的增大而下降。

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硅片上集成高介电调谐率的柱状纳米晶BaTiO₃铁电薄膜

赵玉垚, 欧阳俊

无机材料学报    2022, 37 (6): 596-602.

钛酸钡(BaTiO3)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO3薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO3晶格常数相匹配的LaNiO3作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO3薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm-1电场下, 漏电流密度仅为10-5 A·cm-2。其相对介电常数εr展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时εr为155, 当测试频率升至1 MHz, εr仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO3薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。

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钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷场致应变性能研究

杨慧平, 周学凡, 方豪杰, 张晓云, 罗行, 张斗

无机材料学报    2022, 37 (6): 603-610.

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)作为典型的钙钛矿型弛豫铁电体, 具有超高的场致应变, 是最有希望代替铅基体系的无铅压电体系之一。与铅基陶瓷相比, BNT基陶瓷具有驱动电压较高、迟滞较大以及温度稳定性差等劣势。为了优化无铅驱动器的应变性能, 本研究采用固相反应法制备(1-x){0.76(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.24SrTiO3}-xNaNbO3(BNT-ST-xNN, x=0~0.03)无铅铁电陶瓷。结果表明, 当x=0.01时, 该陶瓷在较低电场(E=4 kV/mm)下的应变值可达到0.278%, 等效压电系数d*33高达695 pm/V。此时, 陶瓷处于非遍历/遍历弛豫相界处, 电场诱导弛豫-铁电相变导致大场致应变。与x=0.01相比, x=0.02时应变值为0.249%, 略微下降, 但迟滞却降低至43%。此外, 该应变在25~100 ℃温度范围内维持稳定。本研究表明, 在BNT基陶瓷中固溶SrTiO3和NaNbO3组元可以提高场致应变值, 同时维持较低的驱动电场和良好的温度稳定性, 可用于压电驱动器研制。

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(0.96NaNbO₃-0.04CaZrO₃)-xFe₂O₃反铁电陶瓷的介电及储能性能研究

叶芬, 江向平, 陈云婧, 黄枭坤, 曾仁芬, 陈超, 聂鑫, 成昊

无机材料学报    2022, 37 (5): 499-506. 

0.96NaNbO3-0.04CaZrO3(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线, 但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低, 限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe2O3, 利用Fe3+离子变价的特点, 实现NNCZ储能性能的优化。采用传统固相法制备了(0.96NaNbO3-0.04CaZrO3)-xFe2O3(简称NNCZ-xFe)反铁电储能陶瓷, 并对样品的相结构、微观形貌、电学性能和储能性能进行了表征, 重点研究了Fe2O3掺杂量对NNCZ陶瓷介电和储能性能的影响规律。结果表明, 样品均具有单一的钙钛矿结构, 掺杂Fe2O3能明显降低NNCZ陶瓷的烧结温度, 晶粒平均尺寸随着掺杂量增大先减小后增大, 掺杂量x=0.02时, 晶粒平均尺寸最小(5.04 mm), 且具有较好的储能性能。室温下, NNCZ-0.02Fe击穿强度为230 kV/cm, 击穿前的有效储能密度和储能效率分别为1.57 J/cm 3和55.74%。在125 ℃和外加电场为180 kV/cm下, NNCZ-0.02Fe的储能密度为4.53 J/cm 3。掺杂Fe2O3使NNCZ陶瓷的烧成温度降低, 氧空位的迁移速率下降, 抑制晶粒的长大, 同时降低了介电损耗, 使得击穿强度增加; 适量氧空位钉扎使得反铁电相向铁电相相翻转变得困难, 避免出现哑铃状双电滞回线, 从而提高储能效率。本研究结果表明NNCZ-xFe在电介质储能领域具有潜在应用价值。

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(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1-xSn_x)O₃无铅压电陶瓷的相结构与压电性能

王新健, 朱逸璇, 张鹏, 杨文龙, 王挺, 郇宇

无机材料学报    2022, 37 (5): 513-519.

钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba0.85Ca0.15)- (Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d33=590 pC•N -1, kp=52.2%, tanδ=0.016, ε T33=5372, d *33=734 pm•V -1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。

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氧化镧掺杂铌酸钾钠陶瓷的电、光性能研究

肖舒琳, 戴中华, 李定妍, 张凡博, 杨利红, 任晓兵

无机材料学报    2022, 37 (5): 520-526.

铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3, KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点, 在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K0.5Na0.5)NbO3-0.175Sr1-3x/2Lax(Sc0.5Nb0.5)O3(x=0, 0.1, 0.2, 0.3)陶瓷(简称0.825KNN- 0.175SLSN), 研究La2O3掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明: 0.825KNN- 0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构; 随着La2O3掺杂量增大, 陶瓷的平均晶粒尺寸减小, 相变温度(Tm)及饱和极化强度(Pmax)增大, 达到峰值后下降。在x=0.3时, 该体系陶瓷表现出优异的透明性, 在可见光波长(780 nm)及近红外波长(1200 nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%, 同时实现了310 kV/cm的击穿场强和1.85 J/cm 3的可释放能量密度。

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高分子辅助沉积法制备LaNiO₃外延导电薄膜

杨柱, 郭少波, 蔡恒辉, 董显林, 王根水

无机材料学报    2022, 37 (5): 561-566. 

近年来LaNiO3(LNO)作为铁电超晶格、超导异质结和催化剂材料引起了广泛关注。本研究采用简便、低成本的高分子辅助沉积法(Polymer Assisted Deposition, PAD), 在(001)取向的SrTiO3(STO)单晶衬底上制备了导电性能优异的LNO外延薄膜, 并对其进行各种结构和电学表征。摇摆曲线半高宽为0.38°, 表明LNO薄膜结晶度良好。高分辨XRD的φ扫描进一步证实LNO薄膜在STO衬底上异质外延生长。原位变温XRD测试进一步表征了LNO薄膜的外延生长过程。结果表明, 聚合物分解之后金属阳离子在单晶基体上有序释放并外延结晶。XPS结果表明, 采用PAD制备的LaNiO3薄膜不存在氧空位。薄膜表面光滑, 粗糙度为0.67 nm。在10~300 K温度区间内的变温电阻率表明LNO薄膜具有良好的导电性能。上述结果表明：PAD制备的LaNiO3薄膜具有较好的综合性能, PAD在制备外延功能薄膜材料方面具有很大的潜力。

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反铁电材料中负电卡效应的研究进展

吴明, 肖娅男, 李华强, 刘泳斌, 高景晖, 钟力生, 娄晓杰

无机材料学报    2022, 37 (4): 376-386.

电卡效应是指电介质材料中由于施加或去除电场导致的材料温度变化的现象, 包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪音、环境友好的制冷效应, 在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景, 在过去的几十年中吸引了科研人员广泛的研究兴趣。研究表明, 通过结合正负电卡效应, 可以显著提高电卡效应的制冷能力。与正电卡效应不同, 负电卡效应因其独特的物理起源, 调控手段极为有限。本文以负电卡效应为中心, 重点介绍反铁电材料中负电卡效应的最新研究进展, 具体内容包括以下四个部分: 首先, 从电卡效应的研究历史出发, 介绍了电卡效应的制冷原理, 介绍了一个典型的能将正、负电卡效应结合的双制冷循环; 其次, 介绍了基于Maxwell关系的负电卡效应间接测试方法, 以及几种负电卡效应直接测试方法, 并讨论了不同方法的适用条件和优缺点; 再次, 以典型的负电卡效应材料——反铁电材料为例, 着重介绍了负电卡效应的物理起源, 综述了反铁电薄膜和反铁电块体材料中的负电卡效应, 并对其它铁电材料中的负电卡效应做了简要介绍; 最后, 对负电卡效应的研究进行了总结和展望。

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BTO基多铁陶瓷的制备及物理性能研究

李胜, 宋国强, 张媛媛, 唐晓东

无机材料学报    2022, 37 (1): 79-85.

多铁材料在新型器件领域的应用非常广泛, 其研究已成为当今材料研究领域的热点之一。钛酸钡(BaTiO3, BTO)在室温下具有较强的铁电性、高介电常数和电光特性等丰富的物理性能, 吸引了科研人员对其进行多铁化的研究。本工作通过固相烧结法制备BTO和BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3(TM = Mn/Ni/Co)陶瓷, 系统研究了B位共掺杂对陶瓷的生长特性与电学、磁学和光学方面的影响。实验结果表明: 掺杂有效抑制了六方相的产生, 样品晶体结构由四方相向立方相转变, 不同元素离子半径的差异使得相变的程度有所不同。通过拉曼散射发现BTO基陶瓷四方相的特征峰变弱, 进一步证明了共掺杂导致四方相减少。介电温谱表明BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3的居里温度(TC)也较BTO有大幅度降低, 同时样品的铁电性虽然也明显削弱, 但是还保持有较好的铁电性, 这些都和晶体结构的相变程度密切相关。磁性测试结果表明: 在三组共掺组分中, Ni-Nb共掺杂具有最好的室温铁磁性, 铁磁性的形成机制可以通过F中心交换(F-center exchange, FCE)理论来解释。与BTO相比, BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3的带隙明显减小, 这主要是因为掺杂产生杂质能级使带隙减小, 与能带理论吻合。上述结果表明: 通过B位共掺杂可以获得室温下铁电性与铁磁性共存的BTO基多铁陶瓷, 有望在多铁性功能器件中获得更广泛的应用。

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