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合肥工业大学科研团队发现受主掺杂无铅钙钛矿铁电体缺陷新结构

作者:采集侠 更新时间:2019-05-12 19:03

近日,合肥工业大学材料科学与工程学院左如忠教授团队和台湾新竹同步辐射光源中心詹丁山教授合作,成功地从原子尺度上阐明了无铅铁材料(Na,K)NbO3(NKN)中点缺陷的局域结构,发现并证实了一种弯曲的三聚复合缺陷新结构,进一步揭示了这种特殊缺陷结构的形成机制及其对电学性能的影响,并在国际著名期刊Applied Physics Letters(Nature Index期刊)上发表了题为“Identifying the local defect structure in (Na0.5K0.5)NbO3: 1mol% CuO lead-free ceramics by x-ray absorption spectra”的研究论文(114,092904 (2019)),该论文入选当期的“Editor’s Picks”(主编推荐)论文,刊登于期刊主页上。论文第一作者为付健副教授。

铁电材料在低于居里温度时,由于对称破缺而降低对称性,在某些方向产生自发极化与自发应变。在外加电场或应力时,自发极化与自发应变方向可以随外场重新取向,从而实现电能与机械能的相互转换,因而被广泛应用于驱动器、换能器、传感器等。NKN作为一种新型的无铅铁电材料,近年来受到广泛的关注。大量研究表明,NKN的电学性能除受相结构影响外,还受到各类点缺陷的影响,特别是受主掺杂原子和氧空位以及由此产生的缺陷偶极子的影响。尽管缺陷结构对NKN的性能起到了至关重要的影响,但是长期以来,对于NKN的缺陷结构在微观尺度上的物理图像并不清晰,从而妨碍了研究人员试图通过缺陷设计来调制材料电学性能的各种努力。

该研究团队利用同步辐射X射线吸收技术,通过对掺杂原子的价态、空间占位以及配位环境的的综合分析,从原子尺度的层面阐明了NKN材料中特殊的缺陷结构及其形成机制,发现了一种不同于传统含铅钙钛矿铁电体中的二聚缺陷结构和直线型的三聚复合缺陷结构的三聚弯曲的缺陷结构。同时结合宏观电学性能的表征等手段,揭示了缺陷结构与其宏观晶体对称性间的相互关系以及缺陷结构对材料自发极化外场响应特性的作用机制。该研究成果为铁电材料的缺陷结构设计及性能调控提供了理论指导。(通讯员:付健 刘红平 祁核)

论文链接:https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5088397