近日，深圳校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團(tuán)隊(duì)在鐵電薄膜領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究成果以《氮摻雜實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦氧化物鐵電性能的顯著增強(qiáng)》（Large Enhancement of Ferroelectric Properties of Perovskite Oxides Via Nitrogen-incorporation）為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。研究團(tuán)隊(duì)利用脈沖激光沉積工藝，在氮?dú)猓∟2）生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了鈦酸鋇鐵電性能的顯著增強(qiáng)。

目前化學(xué)摻雜調(diào)控鐵電性通常以陽(yáng)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?dú)庵械娱g具有很強(qiáng)的共價(jià)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(yáng)離子取代的鈣鈦礦氧化物不同，在惰性氮?dú)鈿夥罩型ㄟ^(guò)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(lái)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(shí)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(guò)程中金屬陽(yáng)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(duì)上述問(wèn)題，陳祖煌教授團(tuán)隊(duì)利用脈沖激光沉積工藝，在氮?dú)馍L(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)；并結(jié)合第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)與鈦-氧（Ti-O）相比，鈦-氮（Ti-N）之間具有更強(qiáng)的雜化作用，它能有效增強(qiáng)鈦的離子位移。相應(yīng)地，氮摻雜鈦酸鋇薄膜的極化強(qiáng)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(jìn)一步展示了陰離子調(diào)控在實(shí)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(qiáng)

圖2 不同氮氧比例氣氛下生長(zhǎng)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(guó)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(mén)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(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)郭昌洋教授、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)文卡特拉曼·戈帕蘭（Venkatraman Gopalan）教授、德國(guó)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和深圳市科技創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。