尺寸减小铁电增强的纳米钛酸铅

二十世纪以来，微纳米器件发展非常迅猛。铁电材料作为一种非常重要的功能材料，因其具有良好的力、热、电耦合性能而广泛应用于功能器件中。通常情况下，随着铁电器件特征尺寸减小至纳米尺度，铁电性逐渐衰减，当减小到一个临界尺寸时，铁电性消失。这对微纳米铁电器件的设计和应用提出了严峻的挑战，纳米尺度下铁电材料的性能保持已成为微纳米铁电器件设计和应用中必须面对的重要问题。迄今为止，以典型的钙钛矿铁电体钛酸铅（PbTiO₃）为例，两种方法用于来增强纳米结构中的铁电性：负压设计和应力工程。通过相变产生的负压，可以在PX相一维纳米线PbTiO₃中实现铁电增强。应变工程通常应用于二维铁电薄膜中，主要是通过基底晶格应力实现。但是对于零维铁电体而言，维持抑或是增强铁电性仍然是一个艰巨的挑战。

北京科技大学固体化学所邢献然教授（点击查看介绍）及其研究团队通过表面修饰引入负压在12 nm PbTiO₃上实现了铁电性能的增强。研究显示，PbTiO₃纳米颗粒显示出沿c轴方向的负压（Δc/c_bulk× 100% = −2.406），同时表现出比体相材料（56.2 μC cm^-2）更大的自发极化（71.2 μC cm^-2）。进一步的原子对分布函数实验反映了纳米化后相应的结构演变。从亚埃级分辨率的扫描透射电子显微镜上可以清晰观察到PbO终端在颗粒表面的分布占绝对优势。同时通过对X射线吸收精细结构谱进行拟合发现Pb原子的最近邻配位数从12减少到9。第一性原理计算表明，表面的这种特殊变化使得铅原子和氧原子的杂化增强是铁电极化增强的主要原因。

该方法实现了纳米尺度下铁电材料的性能增强，为功能器件的进一步小型化提供了更多可能性。同时也可以作为一种普适方法，应用于改善其他材料铁电及相关功能特性。这一成果近期发表在Advanced Materials 上，北京科技大学博士研究生孙静为第一作者，邢献然教授和李强副教授为论文共同通讯作者，主要参与者还包括陈骏教授。中科院物理所谷林研究员、张庆华研究员参与合作。本项研究获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助的支持。

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Negative‐Pressure‐Induced Large Polarization in Nanosized PbTiO₃

Jing Sun, Qiang Li, He Zhu, Zhanning Liu, Kun Lin, Na Wang, Qinghua Zhang, Lin Gu, Jinxia Deng, Jun Chen, Xianran Xing

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002968

导师介绍

邢献然

https://www.x-mol.com/university/faculty/76987