近日，哈爾濱工業大學深圳校區材料科學與工程學院陳祖煌教授團隊在鐵電薄膜領域取得新進展，研究成果以《氮摻雜實現鈣鈦礦氧化物鐵電性能的顯著增強》（Large Enhancement of Ferroelectric Properties of Perovskite Oxides Via Nitrogen-incorporation）為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊利用脈沖激光沉積工藝，在氮氣（N2）生長氣氛中，成功制備了高質量氮摻雜鈦酸鋇（BaTiO3）鐵電薄膜，并實現了鈦酸鋇鐵電性能的顯著增強。
目前化學摻雜調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構和離子半徑。然而，氮氣中氮原子間具有很強的共價鍵，其與氧化物之間的直接反應需要非常高的能量。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的固相反應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和低溫拓撲化學反應等方法雖可實現氮摻雜，但這些合成方法主要以氨氣（NH3）作為氮源，導致在反應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。研究發現隨著生長氣氛中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個數量級；并結合第一性原理計算發現與鈦-氧（Ti-O）相比，鈦-氮（Ti-N）之間具有更強的雜化作用，它能有效增強鈦的離子位移。相應地，氮摻雜鈦酸鋇薄膜的極化強度達到約70μC/cm2，比鈦酸鋇塊體高3倍，薄膜的居里溫度達到約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無鉛鐵電領域具有廣闊的應用前景，進一步展示了陰離子調控在實現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
圖2 不同氮氧比例氣氛下生長鈦酸鋇薄膜的鐵電性
哈工大深圳校區為論文第一完成單位，陳祖煌教授為論文通訊作者。哈工大深圳校區博士研究生王濤、中國科學院金屬研究所宮風輝博士、蘇州大學博士研究生馬雪、哈工大深圳校區碩士研究生潘燊以及廈門大學魏現奎教授為論文共同第一作者。蘇州大學許彬教授、臺灣陽明交通大學郭昌洋教授、美國賓夕法尼亞州立大學文卡特拉曼·戈帕蘭（Venkatraman Gopalan）教授、德國馬克斯·普朗克研究所張春富博士、印度科學學院蘇吉（Sujit Das）教授和美國阿肯色大學洛朗（Laurent Bellaiche）教授等參與相關研究工作。
該研究工作獲得了國家自然科學基金面上項目和深圳市科技創新項目的支持。
原文始發于微信公眾號（哈爾濱工業大學深圳校區）：陳祖煌教授團隊實現無鉛鈦酸鋇薄膜鐵電性能大幅提升
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