近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)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)域取得新進展，研究成果以《氮摻雜實現(xiàn)鈣鈦礦氧化物鐵電性能的顯著增強》（Large Enhancement of Ferroelectric Properties of Perovskite Oxides Via Nitrogen-incorporation）為題發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）上。研究團隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣（N2）生長氣氛中，成功制備了高質(zhì)量氮摻雜鈦酸鋇（BaTiO3）鐵電薄膜，并實現(xiàn)了鈦酸鋇鐵電性能的顯著增強。
目前化學(xué)摻雜調(diào)控鐵電性通常以陽離子摻雜為主，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(jié)構(gòu)和離子半徑。然而，氮氣中氮原子間具有很強的共價鍵，其與氧化物之間的直接反應(yīng)需要非常高的能量。因此，與陽離子取代的鈣鈦礦氧化物不同，在惰性氮氣氣氛中通過傳統(tǒng)的固相反應(yīng)很難直接合成氮摻雜的鈣鈦礦氧化物。近年來提出的高溫氨化反應(yīng)和低溫拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)等方法雖可實現(xiàn)氮摻雜，但這些合成方法主要以氨氣（NH3）作為氮源，導(dǎo)致在反應(yīng)的過程中金屬陽離子（如Ti??）容易被還原，并且極易引入氫元素，導(dǎo)致漏電流密度增加，極不利于材料的鐵電性。
針對上述問題，陳祖煌教授團隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣生長氣氛中成功合成了氮摻雜鈦酸鋇鐵電薄膜。研究發(fā)現(xiàn)隨著生長氣氛中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個數(shù)量級；并結(jié)合第一性原理計算發(fā)現(xiàn)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(yīng)地，氮摻雜鈦酸鋇薄膜的極化強度達(dá)到約70μC/cm2，比鈦酸鋇塊體高3倍，薄膜的居里溫度達(dá)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?zé)o鉛鐵電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，進一步展示了陰離子調(diào)控在實現(xiàn)材料性能顯著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增強
圖2 不同氮氧比例氣氛下生長鈦酸鋇薄膜的鐵電性
哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位，陳祖煌教授為論文通訊作者。哈工大深圳校區(qū)博士研究生王濤、中國科學(xué)院金屬研究所宮風(fēng)輝博士、蘇州大學(xué)博士研究生馬雪、哈工大深圳校區(qū)碩士研究生潘燊以及廈門大學(xué)魏現(xiàn)奎教授為論文共同第一作者。蘇州大學(xué)許彬教授、臺灣陽明交通大學(xué)郭昌洋教授、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)文卡特拉曼·戈帕蘭（Venkatraman Gopalan）教授、德國馬克斯·普朗克研究所張春富博士、印度科學(xué)學(xué)院蘇吉（Sujit Das）教授和美國阿肯色大學(xué)洛朗（Laurent Bellaiche）教授等參與相關(guān)研究工作。
該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目和深圳市科技創(chuàng)新項目的支持。
原文始發(fā)于微信公眾號（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)）：陳祖煌教授團隊實現(xiàn)無鉛鈦酸鋇薄膜鐵電性能大幅提升
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