Advanced Materials:纳米PbTiO3中铁电增强

铁电性就是指具有自发极化现象,并且随着外加电场的改变极化方向反转的性质。它是近程排斥力和长程库仑力这两种相互作用之间微妙平衡而产生的一种现象。通常情况下,铁电性随着材料的尺寸减小而逐渐衰减,当减小到一个临界尺寸时,铁电性消失。然而,电子产品轻薄化的发展进程要求电子器件的尺寸越小越好,存储密度越高越好。如何在纳米铁电体中保持良好的铁电性能是一个亟待解决的难题。迄今为止,以典型的钙钛矿铁电体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/cbulk × 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和X射线吸收精细结构谱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终端在颗粒表面分布占绝对优势。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。

该工作中基于表面修饰调控铁电性,不仅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,也期望能为现代铁电器件设计提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202002968)上。