哈工大深圳Science子刊：實(shí)現無(wú)鉛鈦酸鋇薄膜鐵電性能大幅提升！

近日，深圳校區材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團隊在鐵電薄膜領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究成果以《氮摻雜實(shí)現鈣鈦礦氧化物鐵電性能的顯著(zhù)增強》(Large Enhancement of Ferroelectric Properties of Perovskite Oxides Via Nitrogen-incorporation)為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。研究團隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣(N2)生長(cháng)氣氛中，成功制備了高質(zhì)量氮摻雜鈦酸鋇(BaTiO3)鐵電薄膜，并實(shí)現了鈦酸鋇鐵電性能的顯著(zhù)增強。 論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8830 目前化學(xué)摻雜調控鐵電性通常以陽(yáng)離子摻雜為主，而陰離子摻雜由于合成困難，通常較少涉及。在可供選擇的陰離子中，氮離子(N3-)和氧離子(O2-)具有非常相似的電子結構和離子半徑。然而，氮氣中氮原子間具有很強的共價(jià)鍵，其與氧化物之間的直接反應需要非常高的能量。因此，與陽(yáng)離子取代的鈣鈦礦氧化物不同，在惰性氮氣氣氛中通過(guò)傳統的固相反應很難直接合成氮摻雜的鈣鈦礦氧化物。近年來(lái)提出的高溫氨化反應和低溫拓撲化學(xué)反應等方法雖可實(shí)現氮摻雜，但這些合成方法主要以氨氣(NH3)作為氮源，導致在反應的過(guò)程中金屬陽(yáng)離子(如Ti??)容易被還原，并且極易引入氫元素，導致漏電流密度增加，極不利于材料的鐵電性。 針對上述問(wèn)題，陳祖煌教授團隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣生長(cháng)氣氛中成功合成了氮摻雜鈦酸鋇鐵電薄膜。研究發(fā)現隨著(zhù)生長(cháng)氣氛中N2濃度的增加，BaTiO3薄膜的絕緣性有了極大的改善，其漏電流密度最高下降了2個(gè)數量級;并結合第一性原理計算發(fā)現與鈦-氧(Ti-O)相比，鈦-氮(Ti-N)之間具有更強的雜化作用，它能有效增強鈦的離子位移。相應地，氮摻雜鈦酸鋇薄膜的極化強度達到約70μC/cm2，比鈦酸鋇塊體高3倍，薄膜的居里溫度達到約940℃，比塊體材料高約7倍。該研究工作不僅為合成氮氧化物提供了一種有效的策略，而且表明了氮摻雜的鈦酸鋇薄膜在高溫無(wú)鉛鐵電領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，進(jìn)一步展示了陰離子調控在實(shí)現材料性能顯著(zhù)提升方面的巨大潛力。 圖1 氮摻雜鈦酸鋇薄膜四方性的顯著(zhù)增強 圖2 不同