弛豫多铁性材料研究进展

《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。

Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。

本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。

二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。

在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。

为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。

首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。

结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。

这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。

其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。

结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。

这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。

三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。

首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。

其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。

人工合成铁卟啉fe(oep)cl弛豫效应的穆斯
堡尔研究
人工合成铁卟啉Fe(OEP)Cl弛豫效应的穆斯堡尔研究
人工合成的铁卟啉分子（Fe(OEP)Cl）是一种典型的金属有机框
架分子，它具有很强的吸收能力和弛豫效应。

该分子在组装成多孔材
料时，可以应用于分离和催化等领域。

因此，对其分子结构和弛豫效
应的研究已经变得越来越重要。

穆斯堡尔光谱学是一种非常重要的分析手段，已被广泛应用于研
究铁化合物的结构和弛豫效应。

通过穆斯堡尔光谱学的研究，可以获
得化合物的铁离子固有谱线，进而了解铁的电子状态、配位构型和环
境对其弛豫效应的影响。

在研究中，我们利用穆斯堡尔光谱学对人工合成的铁卟啉
Fe(OEP)Cl分子进行了研究。

原始数据表明，该分子具有明显的弛豫效应。

通过分析其质量分数、碘酸钾脱色试验和热重分析等实验方法，
我们进一步确定了其分子结构，在各种条件下对其组装进行了实验，
获得了不同结构的多孔材料，并对其进行了穆斯堡尔光谱的测试。

在实验中，我们观察到了不同的质子位移和超精细分裂，这些分
布表明它们与铁基团中铁离子或相邻原子团之间的相互作用有关。

同时，我们还观察到了比较明显的弛豫效应，这表明铁离子的电子状态、配位构型和环境等因素对其弛豫过程有着显著的影响。

通过我们的实验和研究，我们对人工合成的铁卟啉Fe(OEP)Cl分
子的分子结构和弛豫效应有了更深入的认识，并且能够更加有效地利
用这种分子在材料科学领域中的应用。

我们的研究还可以为构建更具
选择性和活性的多孔材料提供一定的参考价值。

功能陶瓷材料的制备与研究进展摘要：该文重点介绍了三种功能陶瓷的发展和制备情况，并针对我国功能陶瓷的研究存在的问题提出应对方法，以期为我国未来功能陶瓷的研究提供参考。

关键词：功能陶瓷制备研究功能陶瓷自20世纪30年代发展以来，经历了电介质陶瓷到高温超导陶瓷的发展历程，目前功能陶瓷在计算机技术、微电子技术、光电子技术等领域应用广泛，成为推动我国科技发展的重要功能性材料。

1 功能陶瓷情况介绍1.1 微波介质陶瓷微波介质陶瓷主要应用于现代通讯设备中，尤其在介质天线、滤波器、谐振器等设备中发挥着至关重要的作用。

在现代通讯技术影响下，我国十分重视微波介质陶瓷的研究和发展。

微波介质陶瓷研究对其基本要求如下。

为了实现微波元器件小型化发展要求，在使用的微波波段中微波介质陶瓷介电常数ε应尽可能的大；为了保证较好的通讯质量和良好的滤波性质，微波介质陶瓷的品质因数Q应尽可能的小；应保证谐振频率的温度系数可调节或者最大限度的小。

除此之外，还应充分分析微波介质陶瓷的绝缘电阻、传热系数等参数。

目前对微波介质陶瓷的研究、开发主要集中在以下方面。

首先，高品质因数和低介电常数的微波介质陶瓷，这类材料主要以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-ZnO-Ta2O5、BaO-MgO-Ta2O5或者它们之间的复合材料为代表。

当满足f≥10?GHz，Q=(1-3)×104，ε=25-30，谐振温度系数几乎为零时，可广泛应用于毫米、厘米波段的卫星直播通信系统中。

其次，中等的Q和ε微波介质陶瓷，其组成材料主要有Ba2TiO20、(Zr，Sn)TiO4以及BaTi4O9等。

当满足f≤3-4?GHz，Q=(6-9)×104，ε≈40，谐振温度系数小于等于5×10-6/℃，可作为微波军用雷达通信系统的重要器件。

最后，低Q和高ε微波介质陶瓷，以BaO、TiO2、Ln2O3为主要组成材料，该类陶瓷在目前微波介质陶瓷研究中受到人们的广泛关注。

ZnO基材料的压电、铁电、介电与多铁性质研究进展作者：门保全， 郑海务， 张大蔚， 马兴平， 顾玉宗， MEN Bao-quan， ZHENG Hai-wu，ZHANG Da-wei， MA Xing-ping， GU Yu-zong作者单位：门保全,MEN Bao-quan(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料省重点实验室,开封,475004;河南农业职业学院,郑州,451450)， 郑海务,张大蔚,马兴平,顾玉宗,ZHENG Hai-wu,ZHANG Da-wei,MA Xing-ping,GU Yu-zong(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料省重点实验室,开封,475004)刊名：硅酸盐通报英文刊名：BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY年，卷(期)：2009，28(4)被引用次数：0次1.郑海务.孙利杰.张杨退火温度对6H-SiC衬底上ZnO薄膜发光性质的影响[期刊论文]-人工晶体学报 20072.Lin Y C.Chen M Z.Kuo C C Electrical and optical properties of ZnO:Al film prepared on polyethersulfone substrate by RF magnetron sputtering 20093.Kim S.Seo J.Jang H W Effects of ambient annealing in fully 002-textured ZnO:Ga thin films grown on glass substrates using RF magnetron co-sputter deposition 20094.Sanchez N.Gallego S.Muňoz Magnetic States at the Oxygen Surfaces of ZnO and Co-Doped ZnO 20085.Xin M J.Chen Y Q.Jia C Electro-codeposition synthesis and room temperature ferromagnetic anisotropy of high concentration Fe-doped ZnO nanowire arrays 20086.Kumar R.Singh A P.Thakur P Ferromagnetism and metal-semiconducting transition in Fe-doped ZnO thin films 20087.Onodera A.Tamaki N.Jin K Ferroelectric properties in piezoelectric semiconductor Zn1-xMxO(M=Li,Mg) 19978.zgürü.Alivov Y I.Liu C A comprehensive review of ZnO materials and devices 20059.Pearton S J.Norton D P.Ip K Recent progress in processing and properties of ZnO 200510.Onodera A.Tamaki N.Kawamura Y Dielectric activity and ferroelectricity in piezoelectric semiconductor Li-doped ZnO 199611.Onodera A.Yoshio K.Satoh H Li-substitution effect and ferroelectric properties in piezoelectric semiconductor ZnO 199812.Joseph M.Tabata H.Kawai T Ferroelectric behavior of Li-doped ZnO thin films on Si(100) by pulsed laser deposition 199913.Dhananjay.Nagaraju J.Krupanidhi S B Effect of Li substitution on dielectric and ferroelectric properties of ZnO thin films grown by pulsed-laser ablation 200614.Ni H Q.Lu Y F.Liu Z Y Investigation of Li-doped ferroelectric and piezoelectric ZnO films by electric force microscopy 200115.Yang Y C.Song C.Wang X H Giant piezoelectric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped ZnO films 200816.Zhang Y J.Wang J B.Zhong X L Influence of Li-dopants on the luminescent and ferroelectric properties of ZnO films 200817.Lin Y H.Ying M H.Li M Room-temperature ferromagnetic and ferroelectric behavior inpolycrystalline ZnO-based thin films 200718.Zhang K M.Zhao Y P.He F Q Piezoelectricity of ZnO films prepared by sol-gel method[期刊论文]-Chinese Journal of Chemical Physics 200719.Yu L G.Zhang G M.Zhao X Y Fabrication of lithium-doped zinc oxide film by anodic oxidation andits ferroelectric behavior 200920.Zou C W.Li M.Wang H J Ferroelectricity in Li-implanted ZnO thin films21.Dhananjay Singh S.Nagaraju J Dielectric anomaly in Li-doped zinc oxide thin films grown by sol-gel route 200722.Dhananjay.Nagaraju J.Choudhury P R Growth of ferroelectric Li-doped ZnO thin films for metal-ferroelectric-semiconductor FET 200623.Dhananjay.Nagaraju J.Krupanidhi S B Off-centered polarization and ferroelectric phase transition in Li-doped thin films grown by pulsed-laser ablation 200724.Yang Y C.Song C.Wang X H V5+ ionic displacement induced ferroelectric behavior in V-doped ZnO films 200725.Yang Y C.Song C.Wang X H Cr-substitution-induced ferroelectric and improved piezoelectric properties of Zn1-xCrxO 200826.Schuler L P.Valanoor ler P The effect of substrate materials and postannealing on the photoluminescence and piezo properties of DC-sputtered ZnO 200727.Wang X B.Song C.Li D M The influence of different doping elements on microstructure,piezoelectric and resistivity of sputtered ZnO film 200628.Wang X B.Li D M.Zeng F Microstructure and properties of Cu-doped ZnO films prepared by dcreactive magnetron sputtering 200529.Juang Y.Chu S Y.Weng H C Phase transition of Co-doped ZnO 200730.Ghosh C K.Malkhandi S.Mitra M K Effect of Ni doping on the dielectric constant of ZnO and its frequency dependent exchange interaction 200831.Spaldin N A Search for ferromagnetism in transition-metal-doped piezoelectric ZnO 200432.Yang Y C.Zhong C F.Wang X H Room temperature multiferroic behavior of Cr-doped ZnO films 20081.学位论文杜朝玲Sr<,m-3>Bi<,4>Ti<,m>O<,3m+3>铁电氧化物和ZnO基稀磁半导体的拉曼光谱研究2007拉曼光谱学是研究物质元激发、结构和其它等物理性质的重要手段之一。

核磁共振横向弛豫时间与金属种类之间的关系宣艳;向义龙【摘要】采用低场核磁共振技术采集不同的硫酸盐溶液中的氢核的横向弛豫时间T2,比较了纯水和不同浓度硫酸盐溶液中的氢核的核磁共振信号,分析了不同金属阳离子对溶液中氢核的影响,并对金属离子盐溶液中的氢核的弛豫时间与金属种类和浓度之间的相关性进行研究.实验结果表明,金属离子钠、镁、铝、钾、铁、锰、铜和锌均能加快氢核的核磁共振弛豫衰减速度,具有促进水分子结合的作用.随着金属离子浓度增加,T2均变小.浓度相同的情况下,金属离子对液体中氢核的的影响由强到弱为:Mn2+＞Fe3+ ＞Cu2+＞Mg2+＞ Al3+＞Na+＞Zn2+＞K+.【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P149-153)【关键词】核磁共振;弛豫时间;盐溶液;相关性【作者】宣艳;向义龙【作者单位】南京林业大学现代分析测试中心,南京210037;南京林业大学现代分析测试中心,南京210037【正文语种】中文1 引言水是地球上生物赖以生存的最重要物质之一。

自然界中的水分子不是孤立的，而是通过氢键的作用使得若干个分子聚合在一起，形成水分子团。

自从Dyke等人[1]于1977年验证了二元水结构以来，水分子团 [2-6]的实验和理论研究已经成为一个重要的研究方向。

多数的硫酸盐易溶于水，溶液中的离子会使溶液中的水分子重新排列，而这样排列的水分子结构与纯水结构有较大的差异。

因此盐溶液中的氢核弛豫的研究对于水分子团的研究具有重要的理论和现实意义。

低场核磁共振技术[7]是基于自旋核在射频磁场中的性质对材料进行分析的的一种测试方法。

低场核磁共振因其成本低廉、无损、快速等优点在粮油食品[8-11]、地质勘探[12，13]、石油化工[14-18]等领域得到了广泛的应用。

本实验利用低场核磁共振技术研究了硫酸盐溶液中氢核，研究了盐中的金属离子的种类和溶液浓度对氢的弛豫时间的影响。

特色研究报告：低维电磁功能材料研究进展摘要：电磁功能材料在军事隐身、信息对抗等国防军工以及电磁辐射防护、微波通信等民用技术领域有着广阔的应用前景。

特别是，低维电磁功能材料具有独特的电磁特性，在电磁波吸收与屏蔽、通信与成像、传感与检测等方面受到越来越多的关注。

总结了曹茂盛研究小组在低维电磁功能材料方面取得的重要研究进展，主要包括碳纳米管、石墨烯、碳化硅、氧化锌、过渡金属及其化合物、多铁材料等。

系统论述了低维材料的电磁响应，包括电荷输运、偶极极化、磁共振、磁涡流等。

重点总结了在电磁响应方面提出的重要的模型和公式，包括电子跳跃（EHP）模型、聚集诱导电荷输运（AICT）模型、类电容结构、等效电路模型以及等效串联电路方程和电导网络方程等。

揭示了低维材料电磁响应与电磁屏蔽和吸收之间的重要联系，即电磁能量转换机制，包括极化弛豫和电荷输运协同竞争机制以及界面散射、微电流、微天线辐射和介质弛豫的竞争协同作用等。

最后，深入剖析了该领域的发展进程，提出了该领域面临的重大挑战，并预测了未来的研究方向。

关键词：低维材料；电磁响应；能量转换；电磁特性；电磁屏蔽；微波吸收电磁功能材料支撑着电子科学和信息工程的发展，是信息、通讯、能源、医学、航空航天、军事等各个领域技术研发的重要基础。

例如，超长波（λ=104～105 m）导航系统可用于海上定位和通信；中短波（λ=1～103 m）手机收发器能让我们足不出户便知天下事；太赫兹、红外及X射线探测器和成像装置被广泛应用于医疗检测和军事装备领域。

随着科学技术的发展，高性能电磁功能材料研发将成为今后科学界新的研究热点之一，未来电磁功能材料和器件的创新将给人类带来更多意想不到的惊喜。

低维电磁功能材料的研发推动了全球高新技术领域的进步。

新的物理效应，新的电磁响应机制和电磁性能，新的低维材料以及多元化、微小型化和智能化的新型电磁器件，为电磁波吸收与屏蔽、探测与传感、成像、开关与滤波、光学与光电等领域的发展带来了无限的活力。

湖北第二师范学院学报Journal of Hubei University of Education2021年2月第38卷第2期Feb.2021Vol. 38 No. 2聚偏氟乙烯多铁性的第一性原理研究杨辉v #b ，陈亦杰。

，胡俊杰。

,胡立峰v ,胡盼盼v（湖北第二师范学院a.物理与机电工程学院；b.湖北省环境净化材料工程技术研究中心，武汉430205）摘要：采用密度泛函理论的第一性原理计算方法对裁剪后的聚偏氟乙烯分子链的磁性质和铁电性质进行了理论模拟计算，计算结果表明具有C -H 悬挂键的聚偏氟乙烯分子链表现出铁磁性,进一步自旋密度的结果表明磁性起因于截面处碳自旋局域化且自旋密度沿聚偏氟乙 烯分子链延伸到碳原子中，但迅速衰减。

差分电荷密度的结果揭示磁性的引入同时增强结构的电极化性能，结构存在磁电耦合。

关键词：聚偏氟乙烯；多铁性材料；密度泛函理论;裁剪中图分类号：O441.6 文献标识码:A 1引言多铁性材料是一种具有多种铁性特征的磁电 耦合多功能材料，它可以直接通过电场调控磁性 能,具有超低能耗的突出优势以及灵活的电场调 节能力。

这在开发新型多功能电子器件方面展现 出巨大潜力，如磁电存储器,多铁性隧道结，高灵敏度磁场探测器，可调电感,以及高频可调微波器 件⑴-［3#等等。

有机多铁材料的研究近几年来获得了一系列 的研究成果$ Thoms 等人⑷使用PaOser - Par r -Popie 模型建模，通过数值研究方法，发现当甘菊环低聚物数在8个以上时,结构会表现出铁磁性 基态,随后的电荷密度计算表明电偶极子取向导 致低聚物具有铁电性。

杨辉等人"5#结合第一性原理和量子蒙特卡罗方法,研究了不同碳位置氢化的三五富瓦烯和五七富瓦烯低聚物，结果表明氢化后的低聚物具有室温铁磁性。

Hetera 等 人⑷在石墨烯表面沉积单个氢原子,使石墨烯可以在较长距离上维持铁磁性，表明实验上可以通过STM 对氢原子进行原子精度的操控，来控制石文章编号：1674-344X （ 2021 ）2-0023-04墨烯区域的磁性。

《BMT-NBT基弛豫铁电薄膜储能特性研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，铁电材料因其独特的电学性能在许多领域中得到了广泛的应用。

BMT-NBT基弛豫铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，其储能特性备受关注。

本文旨在研究BMT-NBT基弛豫铁电薄膜的储能特性，分析其性能参数，为实际应用提供理论支持。

二、BMT-NBT基弛豫铁电薄膜BMT-NBT基弛豫铁电薄膜是一种具有钙钛矿结构的薄膜材料，其组成元素包括Bi、Me（M为Ti或Nb）等。

该类材料具有优异的铁电性能和弛豫行为，在电场作用下能够产生显著的极化现象。

此外，BMT-NBT基薄膜还具有较高的介电常数和较低的介电损耗，使其在储能器件领域具有广阔的应用前景。

三、储能特性研究（一）实验方法本文采用脉冲激光沉积法制备BMT-NBT基弛豫铁电薄膜，并利用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对薄膜的微观结构进行表征。

通过电学性能测试系统，测量薄膜的电学性能参数，如介电常数、介电损耗、电滞回线等。

（二）实验结果1. 微观结构分析：BMT-NBT基弛豫铁电薄膜具有钙钛矿结构，晶粒排列紧密，无明显缺陷。

2. 电学性能参数：在室温下，BMT-NBT基薄膜的介电常数较高，介电损耗较低。

此外，该薄膜具有显著的铁电性能，表现出典型的电滞回线。

3. 储能特性：BMT-NBT基弛豫铁电薄膜在电场作用下能够产生较大的极化强度，且极化强度与外加电场之间呈现出非线性关系。

这使得该薄膜在储能器件中具有较高的储能密度和充放电效率。

（三）性能分析BMT-NBT基弛豫铁电薄膜的储能特性主要得益于其优异的铁电性能和弛豫行为。

在电场作用下，该薄膜能够产生显著的极化现象，使得电荷在薄膜内部重新排列，从而实现在电能与磁能之间的转换。

此外，该薄膜还具有较高的介电常数和较低的介电损耗，有利于提高储能器件的能量转换效率。

同时，BMT-NBT 基薄膜的制备工艺成熟，成本较低，为实际应用提供了良好的基础。

四、结论本文研究了BMT-NBT基弛豫铁电薄膜的储能特性，通过实验发现该薄膜具有较高的介电常数、较低的介电损耗和显著的铁电性能。

浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展摘要:铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及非线性光学等特性，特别是驰豫铁电体是近20年发展起来的国际高新技术材料。

本文主要介绍了驰豫铁电体的介电特征和理论模型,总结概括了BaTiO3基复合钙钛矿型驰豫铁电体的研究和铁电体的研究新进展。

关键词：铁电材料驰豫铁电体中图分类号:一、弛豫铁电体的介电特征铁电体是一类特殊的电介质，其介电常数的特点是数值大、非线性效应强、有着显著的温度依赖性和频率依赖性。

但是由于其结构的原因，很多铁电体的居里温度偏高，使其介电常数在较高温度时才有最大值，而在室温下介电常数远小于居里点的介电常数,从而大大限制了其使用性能。

因此必须改变铁电体的结构使其居里温度降低、介电常数增大、适用的温度范围变宽，由此提出了弛豫铁电体(RFE)的概念。

1955年G. I. Skanavi首先在钛酸锶铋（SBT）铁电体中发现一个明显的弥散区域，而后G。

A. Smolenkii等又发现了一大类以铌镁酸铅(Pb（Mg1/3Nb2/3）O3，PMN）为代表的复合钙钛矿型化合物，它们既有明显的铁电性,又呈现出强烈的弛豫特性.这类材料便被称为扩散相变型铁电体(DPT）或弛豫型铁电体(RFE)。

严格来说，把具有以下介电特征的铁电体称为弛豫铁电体［1，2］：一是相变弥散,即铁电到顺电相变是一个渐变的过程，没有一个确定的居里温度Tc，表现为介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化,通常将其介电常数最大值所对应的温度T m作为一个特征温度；二是频率色散现象,即在T m温度以下,随频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动;三是在转变温度T m 以上仍然存在较大的自发极化强度.弛豫铁电体的介电常数和温度的关系不再符合Curie—Weiss定律。

弛豫铁电体主要有复合钙钛矿型驰豫铁电体，钨青铜型驰豫铁电体和聚合物驰豫铁电体，其中复合钙钛矿型驰豫铁电体是近年来研究得最多的一类.弛豫铁电体具有极高的介电常数、相对低的烧结温度以及由“弥散相变”引起的较低容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器（MLCC）和新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景；透明弛豫铁电体具有优异的电光和开关特性,可用于电光存储、开关和记忆元件。

第一性原理研究氧化物Ba(Zr,Ti)O3的铁电性李昊;刘娜;程莹;杨丽娟【摘要】Ba(Zr,Ti)O3是一种无铅弛豫铁电氧化物.运用第一性原理方法研究了纯BaTiO3和Ba(Zr,Ti)O3的铁电极化值.在2×2×2的超胞中构造了BaZr0.5 Ti0.5 O3和BaZr0.25 Ti0.75 O3的原子结构.半掺杂情况下铁电属性的差异主要来源于Ti和Zr离子结构的分布,对Ba(Zr,Ti)O3的弛豫性给出了合理的解释.基于温度统计的Ba(Zr,Ti)O3模型给出了依赖于合成温度的平均极化值,结果有助于理解和调制无铅弛豫铁电体Ba(Zr,Ti)O3.【期刊名称】《淮阴师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(017)002【总页数】6页(P124-128,137)【关键词】第一性原理;铁电体;弛豫性【作者】李昊;刘娜;程莹;杨丽娟【作者单位】宿迁学院信息工程学院,江苏宿迁 223800;宿迁学院信息工程学院,江苏宿迁 223800;宿迁学院信息工程学院,江苏宿迁 223800;宿迁学院信息工程学院,江苏宿迁 223800【正文语种】中文【中图分类】TM2210 引言ABO3型钙钛矿型氧化物因其独特的物理性质和广阔的技术应用而被广泛研究．在大量的功能性钙钛矿型氧化物中,铁电材料BaTiO3和PbTiO3因其独有的性质，在现代电子工业中被应用于电容器和传感器中[1]．此外,部分掺杂Zr的PbTiO3(Pb(Zr,Ti)O3)已经广泛应用于随机存取储存器和其他的设备中[2-3]．虽然PbTiO3和Pb(Zr,Ti)O3对工业很有价值,但其含有铅具有毒性．在工业上寻找无铅的铁电氧化物来代替PbTiO3/Pb(Zr,Ti)O3已成为一个具有挑战性的问题．近年来,有一些学者通过实验研究了Ba(Zr,Ti)O3薄膜,这有可能成为Pb(Zr,Ti)O3的替代物．但与得到广泛研究的Pb(Zr,Ti)O3相比较,Ba(Zr,Ti)O3研究显得甚少[4-5],仅有少量实验研究该物质,对其铁电性物理机制的理论研究仍然缺乏．本文应用第一性原理方法研究了Ba(Zr,Ti)O3超胞模型的铁电性．密度泛函理论计算发现,随着Zr的替代,其电偶极矩值减小．此外,基于热力学统计的模型揭示了Ba(Zr,Ti)O3的极化值依赖于合成温度．理论结果解释了弛豫铁电实验现象,有助于研究其铁电性．1 计算方法密度泛函理论的计算是基于Vienna ab-inito simulation package(VASP)程序包[6-7]完成．应用广义梯度近似加U(GGA+U)的PBEsol方法处理电子间相互作用的交换关联能．所有计算包括晶格优化和静态计算,对Ti原子d轨道电子采用Hubbard有效相互作用Ueff[8]．在几何结构优化和电子的自洽计算过程中,平面波截断能选取550 eV,对Brillouin区的积分计算时K点网格采用9×9×9/5×5×5的Monkorst-Park方法分别对纯的BaTiO3和2×2×2的超胞．结构优化过程中,内部原子和晶格常数进行充分优化,原子间的相互作用力收敛标准为电子极化计算采用标准的Berry-phase方法[9]．2 结果与讨论BaTiO3是一种典型的铁电氧化物,随着温度的降低,呈现3种顺序相变,393 K时从立方到四方,278 K时从四方到斜方,183 K时从斜方到三方[10]．顺电相是立方结构(空间群为pm3m),晶格常数为在铁电态中,四方铁电态最有趣并且之前已被广泛研究．在室温时四方铁电态属于p4mm空间群,实验测得晶格常数为和沿c轴的自发极化值[11]为26 μC/cm2．首先,检验BaTiO3的物理性质．当Ueff的从0 ev每隔1 ev变化到4 ev时,四方结构的铁电态被充分优化．利用充分优化的结构计算了电偶极矩和带隙．如图1所示,电偶极矩从30.27 μC/cm2变化到1.21 μC/cm2随着Ueff的增加带隙在增加．当Ueff=1 ev时,充分优化的晶格常数为(图1c),极化值为25.15 μC/cm2(图1a),这些与实验值相当接近,预示着对BaTiO3的Ueff值是合适的．同时,对Zr离子检测了合适的Ueff值．在DFT计算中,随着Ueff的增加对立方的BaZrO3优化晶格常数．当Ueff=0时,晶格常数为接近实验值在接下来的计算中,Ti和Zr的d轨道分别采用Ueff=1 ev和0 ev．其次,使用2×2×2的BaZr0.5Ti0.5O3超胞来计算顺电和铁电的能量和极化值,该超胞中包括8个化学单元．因为在实际的材料中Zr和Ti的分布是随机的,所以我们测试了所有的Zr-Ti结构的超胞．结构的组合数是考虑到空间对称性,对铁电体只有15种独立的结构,这些结构进一步缩小到只有5种独立的顺电结构如表1所示．对每一个独立结构进行了充分优化,得到优化的结构内部原子的位置和晶体结构．对优化得到的结构计算了能量和电偶极矩(表1)．表1中不管是顺电还是铁电态,被命名为V/O的结构能量最低,该结构中Zr和Ti沿3个坐标轴都是间隔排列．对铁电态,优化后的晶格常数为:和沿c轴的晶格常数为0.21 μC/cm2．如表1所示,不同结构之间的极化值不同,其值依赖于Zr-Ti的排布．对E结构,极化值最大为23.73 μC/cm2,该值接近于BaTiO3的值．然而,计算结果表明,对真实的Ba(Zr,Ti)O3,Zr和Ti淬火的无序会导致体系的铁电性非常的不规则,预示了弛豫铁电性[12]．为了得到实际情况中Ba(Zr,Ti)O3的有效极化,基于玻尔兹曼方程(p～D·exp(-E/KBT)的热力学平均,方程中p是每一个独立结构出现的几率,D是简并度,E是能量,KB是玻尔兹曼常数,T是温度,模拟了在高温合成时Zr-Ti的结构分布．在高的合成温度时,Ba(Zr,Ti)O3是顺电态,因为BaTiO3的铁电居里温度仅为393 K,比典型的合成温度低很多．接着计算了5种顺电态出现的几率与合成温度的函数.如图2a,在合成温度相对低时,低能量态V是主导．随着温度的增加,能量第二低态IV的部分显著增加并且最终超越了能量态V,因为IV态的简并度大于V态．接着计算了每一个结构对极化的贡献,考虑到铁磁态的几率和极化值．如图2b,清楚的给出了在整个温度范围内主要的来源态是IV,而其他的态对铁电极化而言都可以忽略．图2c 表明,在合成温度从1 000 K到2 000 K时总的极化值成线性增加从0.93 μC/cm2增加到6.74 μC/cm2．结果表明较高的合成温度能够促进Ba(Zr,Ti)O3的有效极化值．根据以上BaZr0.5Ti0.5O3的结果,因为Zr部分掺杂使体系变为弛豫铁电体．然而,有效极化被压制．因此,为了平衡弛豫和极化,少量的掺杂是一个好的选择．接下来,Zr的浓度降低到25%,给出BaZr0.25Ti0.75O3．仍然使用2×2×2的超胞,尽管有种组合,但是只有7种独立的铁电态和3种顺电态,总结如表2．进行上面同样的过程(优化和静态计算),得到了优化结构的能量和极化值,在表2中也给出了这些结果．根据表2,顺电态中结构II的能量最低,其分支中的铁电态能量也最低．不同于上面的半掺杂情况,结构B沿c轴具有极化最大值(28.79 μC/cm2)．甚至结构E给出了极化最小值,其值也达到16.65 μC/cm2．接着,计算了3种顺电结构的几率,它们对铁电的贡献,和总极化对合成温度的函数关系．根据图2d～图2f,在温度变化范围1 000～2 000 K内,结构II对极化贡献最多．总极化范围：17.64～18.06 μC/cm2,变化很小．从这个意义上讲,四分之一掺杂Ba(Zr,Ti)O3更像一个正常的铁电体而弛豫行为并不显著．3 结论本文基于密度泛函理论和热力学统计研究了弛豫铁电体超胞Ba(Zr,Ti)O3．对半掺杂情况,Zr-Ti结构的不同其铁电极化值也不同．同时,计算结果表明总的有效极化随着合成温度的增加而增加,这将有助于实际材料中的铁电性．相反,四分之一掺杂Ba(Zr,Ti)O3显示不同的结果,这更像一个正常的铁电体而不是一个弛豫体．图1 BaTiO3的物理性质与Ueff的函数关系. (a)电偶极矩; (b)能隙; (c)晶格常数图2 BaZr0.5Ti0.5O3超胞(a～c)和BaZr0.25Ti0.75O3超胞(d～f); 各顺电态的几率和合成温度的函数(a和d);从相应顺电态进化来的各铁电态的电偶极矩值和合成温度的函数关系(b和e);复合材料总的电偶极矩和合成温度的函数关系(c和f)表1为BaZr0.5Ti0.5O3超胞所有模型的DFT计算结果．表中深灰色球为Ti原子,浅灰色球为Zr原子,Ba和O原子不显示．超胞中各顺电模型之间的每Ti能量差△E:E(x)-E(v),各铁电模型之间的每单元能量差△E:E(x)-E(o)．同时给出了15种独立的铁电态沿c轴的电偶极矩值．表2为BaZr0.25Ti0.75O3超胞所有模型的DFT计算结果．在2×2×2超胞中,深灰色球为Ti原子,浅灰色球为Zr原子，Ba和O原子不显示．超胞中各顺电模型之间的每单元能量差△E:E(x)-E(I),各铁电模型之间的每单元能量差△E:E(x)-E(F)．同时给出了7种简并出的铁电态沿c轴的电偶极矩值．表1 BaZr0.5Ti0.5O3超胞所有模型的DFT计算结果表2 BaZr0.25Ti0.75O3超胞所有模型的DFT计算结果参考文献：【相关文献】[1] Weber U, Greuel G, Boettger U, et al. Dielectric Properties of Ba(Zr,Ti)O3-Based Ferroelectrics for Capacitor Applications[J]. J Am Ceram Soc, 2010, 84(4):759-766.[2] Kohlstedt H, Mustafa Y, Gerber A, et al. Current status and challenges of ferroelectric memory devices[J]. Microelection Eng, 2005, 80(1):296-304.[3] Norga G J, Fe L, Wouters D J, et al. 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固体物理学中的多铁性与多铁材料多铁性是指材料在外加电场、磁场或机械应力等刺激下能够同时表现出磁性和铁电性的特性。

这种材料具有潜在的应用前景，因为多铁性能够为新型电子器件的设计和制造提供新思路。

本文将介绍固体物理学中的多铁性研究和多铁材料的应用。

一、多铁性的研究历史及意义多铁性的研究可以追溯到20世纪末，当时科学家们发现铁电材料和磁性材料之间存在着某种联系。

后来，随着研究的深入，人们意识到这种联系在一些晶体结构中可以同时实现，从而形成了多铁性材料的概念。

多铁性材料的研究对于发展新型电子器件有着重要的意义。

例如，利用多铁性材料可以实现磁场或电场控制的电子器件，从而提高器件的性能、降低功耗。

此外，多铁性材料还可以应用于传感器、存储器和电荷耦合器等领域。

二、多铁性的机制多铁性的发现和解释依赖于材料的晶格结构和电子结构。

不同的机制可以导致不同类型的多铁性，如铁电-铁磁耦合机制、荷电耦合机制和自旋耦合机制等。

铁电-铁磁耦合机制是指通过控制外加电场或磁场来改变材料的铁电和铁磁性质。

这种机制主要依赖于材料晶格结构中的离子位移和电子自旋耦合效应。

荷电耦合机制是指通过控制外加电场来改变材料的离子位移和电子结构。

这种机制主要依赖于材料中的极化效应和荷电耦合效应。

自旋耦合机制是指通过控制外加磁场来改变材料的自旋结构和电子结构。

这种机制主要依赖于材料中的自旋-轨道耦合效应和自旋-自旋耦合效应。

三、多铁材料的分类多铁材料可以分为单相多铁材料和复相多铁材料。

单相多铁材料指的是一种材料同时具有铁电和铁磁性质。

复相多铁材料是指通过两个或多个单相材料的复合形成铁电-铁磁耦合效应。

根据多铁性材料的组成和结构，可以进一步将其分类为无机多铁材料和有机多铁材料。

无机多铁材料主要以金属氧化物为代表，具有较高的铁电和铁磁性能。

有机多铁材料主要以有机分子和/或有机配合物为基础，具有可调性和柔韧性等优势。

四、多铁材料的应用前景多铁材料的应用前景十分广泛。