芝浦工業(yè)大學(xué)工學(xué)部先進(jìn)國(guó)際課程山本文子教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與日本精細(xì)陶瓷中心（JFCC）、東北大學(xué)、學(xué)習(xí)院大學(xué)、東京大學(xué)共同研究開(kāi)發(fā)了一種方法，將銣（一種通常難以引入的大金屬離子）摻入鈣鈦礦化合物中，采用高壓法合成了與鐵電鈦酸鋇同類型的鈣鈦礦型鈮酸銣。鈣鈦礦型鈮酸銣具有強(qiáng)應(yīng)變結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)在300~400℃下具有高介電常數(shù)。表明高壓合成和材料信息學(xué)之間的合作對(duì)于材料探索是有效的這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《Dalton Transactions》雜志上。DOI： 10.1039/d4dt00190g

圖：鈣鈦礦型鈮酸銣因加熱而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)變化，由于強(qiáng)應(yīng)變，正方晶2預(yù)計(jì)將具有高介電常數(shù)。

電容器是計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)等許多設(shè)備必不可少的重要電子元件之一。目前，大多數(shù)應(yīng)用的電容器都是由鈦酸鋇制成的，自大約 80 年前發(fā)現(xiàn)以來(lái)，還沒(méi)有任何材料能夠超越它。制造和加工技術(shù)已經(jīng)得到充分改進(jìn)，技術(shù)突破需要新材料。另外，鈦酸鋇由于其晶體結(jié)構(gòu)而存在問(wèn)題，即雖然其在接近室溫時(shí)性能良好，但在高于120℃的溫度下其性能劣化。因此，研究希望通過(guò)結(jié)合新發(fā)展的理論和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)合成新材料，并解決這個(gè)問(wèn)題。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)可以使用高壓方法將大離子尺寸的銣離子摻雜入鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中。應(yīng)用這一點(diǎn)可以摻雜更大的銫離子。該方法可以通過(guò)深化與理論計(jì)算組的合作來(lái)高效實(shí)現(xiàn)，不僅可以應(yīng)用于鐵電材料，還可以應(yīng)用于無(wú)鉛壓電材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。此外，如果通過(guò)高壓合成產(chǎn)生的材料可以用薄膜來(lái)穩(wěn)定，那么它們的應(yīng)用范圍將大大擴(kuò)展。

山本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期致力于利用高壓合成方法開(kāi)發(fā)新材料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是常壓下不存在的物質(zhì)可以在壓力下穩(wěn)定下來(lái)。通過(guò)將物質(zhì)從高溫高壓狀態(tài)快速冷卻，即使在常壓下也可能保持高壓相。對(duì)于通常的合成方法中容易揮發(fā)的元素（本例中為銣），也可以通過(guò)將其限制在樣品池內(nèi)來(lái)抑制其揮發(fā)。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將常壓相鈮酸銣（不是鈣鈦礦型）在40,000 atm和900℃下熱處理30分鐘，獲得了斜方晶系鈣鈦礦型鈮酸銣。同類型的鈦酸鋇和鈮酸鉀都是鐵電體，但眾所周知，它們的介電性能和晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，本次研究人員利用X射線衍射研究了鈣鈦礦型鈮酸銣在-268℃至+800℃的寬溫度范圍內(nèi)因溫度變化而引起的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示，室溫以下無(wú)結(jié)構(gòu)變化，但高于220℃則轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆解}鈦礦，當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，它轉(zhuǎn)變?yōu)楦哟怪崩L(zhǎng)的第2四方鈣鈦礦。420℃以上又恢復(fù)到非鈣鈦礦型的常壓相。

這一系列的相變可以通過(guò)第一原理計(jì)算預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到很好的解釋，特別地，第二四方晶體結(jié)構(gòu)與通過(guò)施加負(fù)壓（對(duì)應(yīng)于熱膨脹）的計(jì)算獲得的晶體結(jié)構(gòu)匹配。這次獲得的高壓相被確認(rèn)具有極性結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛^察到與鈮酸鉀相同強(qiáng)度的二次諧波產(chǎn)生，并且還獲得了相對(duì)高的介電常數(shù)。關(guān)于介電常數(shù)，正如理論計(jì)算所預(yù)期的那樣，預(yù)計(jì)未來(lái)通過(guò)增加樣品密度，可以獲得等于或高于鈮酸鉀的值。通過(guò)五個(gè)研究機(jī)構(gòu)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)進(jìn)行聯(lián)合研究，能夠全面評(píng)估材料特性，具有很大的價(jià)值。

來(lái)源：芝浦工業(yè)大學(xué)，原文鏈接：https://www.shibaura-it.ac.jp/headline/detail/20240425_7070_623.html

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