2024-04-27 11:26 来源：得道网
电容器是智能手机和电脑等电子设备的关键部件。它们是由介电材料制成的，在施加电压时极化。目前，钛酸钡(BaTiO3)是应用最广泛的电容器材料。
钛酸钡属于钙钛矿类材料，钛离子驻留在氧八面体笼中。该材料表现出位移型铁电行为，其中离子在相变期间的位移导致材料内部产生永久偶极矩。
在《道尔顿交易》杂志上发表的一项研究中，由柴浦工业大学山本绫子教授领导的研究人员，包括硕士生Kimitoshi Murase，开发了一种具有高介电常数的位移型铁电材料。理论部分由来自日本精细陶瓷中心的Hiroki Moriwake博士和他的团队进行研究。
采用高压方法，研究人员成功地将相当大的铷离子掺入钙钛矿型化合物中，从而合成了铌酸铷(RbNbO3)。这种化合物，以前以其具有挑战性的合成过程而闻名，通过一种创新的方法有效地创造出来。
RbNbO3表现出与BaTiO3类似的位移铁电性，使其成为很有前途的电容器候选材料，对RbNbO3的合成兴趣可以追溯到20世纪70年代。然而，对其介电性能的研究仅在低温(低于27°C)下进行。
这项研究揭示了晶体结构和相变在宽温度范围内(-268至+800°C)，为进一步的研究和开发铺平了道路。
高压合成方法已经报道了多种具有钙钛矿型结构的材料，包括超导体和磁铁。在这项研究中，我们的重点是结合铌酸盐和碱金属，以其高介电性能而闻名，”山本教授说。
研究人员通过在1073 K(800℃)下烧结碳酸铷和氧化铌的混合物，然后在1173 K(900℃)下将其置于40,000个大气压的高压下30分钟，合成了非钙钛矿型RbNbO3。在这些高压和高温条件下，铌酸铷经历了结构转变，从常压相的复杂三斜相转变为密度为26%的正交钙钛矿型结构。
利用x射线衍射，研究人员研究了晶体结构。他们使用单晶进行分析，发现晶体结构与铌酸钾(KNbO3)非常相似，并且在众所周知的铁电材料BaTiO3中也表现出类似的扭曲。
然而，他们发现RbNbO3中铌原子的正交性和位移超过了KNbO3，表明由于相变导致的介电极化程度更高。
此外，通过粉末x射线衍射，研究人员确定了在-268°C到+800°C的温度范围内发生的四种不同的相变。室温下，RbNbO3以正交相存在，这是最稳定的构型。
随着温度的升高，它经历转变:首先在220℃以上转变为四方钙钛矿相，然后在300℃以上转变为更细长的四方钙钛矿相。最后，在420°C以上，它恢复到大气条件下的非钙钛矿相。
这些观察到的相变与通过第一性原理计算得出的预测非常吻合。研究人员还计算了RbNbO3不同相的介电极化。他们发现正交相的极化率为0.33 cm - 2，而两个四方相的极化率分别为0.4和0.6 cm - 2。这些值与铁电碱金属铌酸盐如KNbO3 (0.32 C m−2)，LiNbO3 (0.71 C m−2)和LiTaO3 (0.50 C m−2)相当。
“这次获得的高压相通过观察与铌酸钾强度相同的二次谐波产生证实了极性结构的存在，并且也获得了相对较高的相对介电常数。至于介电常数，预计通过增加样品密度可以获得等于或大于铌酸钾的介电常数，正如理论计算所预测的那样，”山本教授说。
研究人员正在计划进一步的实验来精确测量介电常数，并证明RbNbO3的高极化。高压方法的优点在于它能够稳定在大气压下不存在的物质。
使用该方法，较大的碱金属离子(如铯)可以加入到钙钛矿结构中，从而产生具有理想介电性能的铁电体。
更多信息:Ayako Yamamoto等人，钙钛矿型铌酸铷的晶体结构和性质，RbNbO3的高压相，Dalton Transactions(2024)。DOI: 10.1039 / D4DT00190G
柴浦工业大学提供
引文:迈向新的有前途的钙钛矿型铁电材料:高压合成铌酸铷(2024,4月25日)于2024年4月25日从https://phys.org/news/2024-04-perovskite-ferroelectric-materials-high-pressure.html检索
本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
