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)隊在鐵電薄膜領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究成果以《氮摻雜實現(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)隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣(N2)生長氣氛中，成功制備了高質(zhì)量氮摻雜鈦酸鋇(BaTiO3)鐵電薄膜，并實現(xiàn)了鈦酸鋇鐵電性能的顯著增強(qiáng)。 論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8830 目前化學(xué)摻雜調(diào)控鐵電性通常以陽離子摻雜為主，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，氮氣中氮原子間具有很強(qiáng)的共價鍵，其與氧化物之間的直接反應(yīng)需要非常高的能量。因此，與陽離子取代的鈣鈦礦氧化物不同，在惰性氮氣氣氛中通過傳統(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)的過程中金屬陽離子(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。 針對上述問題，陳祖煌教授團(tuán)隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣生長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個數(shù)量級;并結(jié)合第一性原理計算發(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