《氫調控鐵電陶瓷性能規律及機理研究》是依託北京科技大學，由喬利傑擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氫調控鐵電陶瓷性能規律及機理研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：喬利傑
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
一般研究認為，氫進入鐵電材料如能使其鐵電性能劣化，飽和極化強度和剩餘極化強度降低，並能使其從絕緣體變為半導體。但我們PZNT單晶和PZT鐵電陶瓷的研究表明，高氫濃度是與報導的結果相同，低氫濃度時飽和極化強度、剩餘極化強度以及壓電係數D33增大，從而起到改善鐵電性能的作用。到目前為止，尚未見到類似報導。我們將從氫對鐵電材料的疇變、偶極矩、點陣常數等方面研究這一新現象的機理。主要利用AFM、光學顯微鏡研究氫對PZNT、PZT和BaTiO3等鐵電材料疇變的影響，利用X衍射和中子衍射研究氫對其點陣結構和偶極矩的影響；利用第一性原理模擬氫對疇變、偶極矩以及鐵電性能的影響。通過這些研究，弄清氫改善鐵電性能的機理。
結題摘要
本課題利用過掃描探針顯微技術和第一性原理計算對鈦酸鋇單晶不同外場作用下的表面吸附、疇界以及疇轉行為進行研究。本文所獲得的創新性成果如下： 水分子與BaTiO3(001)表面有強互動作用，在高濕度下水分子在晶體表面聚集成水滴，a疇表面水滴在電場作用下會整體體積逐漸變小，而c疇表面的水滴在發生了一定的體積收縮之後，隨著外加電場的增大表現出越來越平鋪在表面上，即外場能改變其潤濕性。在濕空氣中由於a疇和c疇面的表面能的差異，導致極性的水分子更傾向於吸附在極性的c疇表面來降低c疇多餘的表面能，使水分子在c疇表面上擇優吸附。對表面電性能有較大影響，隨著吸附的增多，a疇和c疇間的電勢差逐漸降低。 溫度的突變引起鐵電疇界面電勢的變化。升高溫度會導致a-c疇表面電勢差增大，增大的電勢隨時間衰減。同一環境濕度下，溫度差越大，電勢變化越大，濕度越大升溫誘導的a-c疇電勢差越大。濕度和溫度對電勢的影響有耦合作用。在發生降溫變化的時候在a-c疇壁處，c-c疇壁處會出現一個明顯的電勢突變區，而對於a-b疇結構來說並沒有電勢變化發生，這是電荷在表面的遷移和在疇壁處的聚集所致。 垂直電場作用下，BaTiO3單晶c+疇和c-疇電勢發生反轉，在電勢反轉的過程中，表面形貌並沒有發生任何變化，臨界垂直電場強度為6 V/mm。電勢反轉的臨界電場強度隨環境濕度增大而增大直至飽和。這種電勢反轉現象可能與鐵電體表面的極化束縛態和禁止態電荷的作用有關。在垂直電場作用下進行接觸掃描的PFM實驗，在c疇區會發生c+到c-的疇轉。且這種疇轉行為只發生在針尖掃描區域，在周圍未掃描的區域，疇結構並未發生變化。疇轉的速率隨著垂直電場的增大而增大，電場越大疇壁移動的速率越快。 第一性原理計算表明BaTiO3單晶的180°疇轉由兩個90°疇轉完成，180°疇轉需克服的勢壘比90°高4.5倍，很好地解釋了以前實驗上觀察到的結果。計算也表明H2O分子可以促進疇轉，吸附H2O分子後第一性原理計算的TDS和XPS兩者具有很好的對應關係。H2O分子在不同覆蓋度下Ba-O面和Ti-O面的差分電荷密度表明H2O分子吸附後會導致Ti原子的45o偏轉，即H2O分子吸附促進鐵電疇轉。
