研究人员在铁电材料开发方面取得了突破。他们设计了一种新型位移型铁电材料，具有非凡的介电性能。他们的成就包括成功合成铌酸铷(RbNbO3)，这种化合物以前被认为在超过 40,000 个大气压的压力下难以生产。此外，他们还表征了相变期间极化在很宽的温度范围内的变化。这一突破可以为铁电材料带来新的设计指南。
电容器是智能手机和计算机等电子设备中的关键组件。它们由介电材料制成，这些介电材料在施加电压时会极化。目前，钛酸钡(BaTiO3)是电容器使用最广泛的材料。钛酸钡属于钙钛矿组材料，其中钛离子位于氧八面体笼内。该材料表现出位移型铁电行为，其中相变过程中离子的位移导致材料内产生永久偶极矩。
在 2024 年 4 月 1 日发表在《道尔顿汇刊》杂志上的一项研究中，由芝浦工业大学的 Ayako Yamamoto 领导的研究人员，包括研究生 Kimitoshi Murase，开发了一种具有高介电常数的位移型铁电材料。理论部分由日本精细陶瓷中心的Hiroki Moriwake和他的团队进行研究。
采用高压方法，研究人员成功地将相当大的铷离子掺入钙钛矿型化合物中，从而合成了铌酸铷(RbNbO3).这种化合物以前以其具有挑战性的合成过程而闻名，是通过创新方法有效地创造出来的。RbNbO3表现出像BaTiO这样的位移铁电性3，使其成为电容器的有前途的候选者。然而，对其介电性能的研究仅在低温(低于27°C)下进行。这项研究揭示了在宽温度范围(-268至+800°C)下的晶体结构和相变，为进一步的研究和开发铺平了道路。
“高压合成方法已经报道了多种具有钙钛矿型结构的材料，包括超导体和磁体。在这项研究中，我们的重点是结合铌酸盐和以其高介电性能而闻名的碱金属，”山本说。
研究人员合成了非钙钛矿型RbNbO3将碳酸铷和氧化铌的混合物在 1073 K (800°C) 下烧结，然后在 1173 K (900°C) 下置于 40,000 个大气压的高压下 30 分钟。在这些高压高温条件下，铌酸铷经历了从环境压力相下的复杂三斜相结构转变为密度较大的斜方钙钛矿型结构的结构转变。
利用X射线衍射，研究人员研究了晶体结构。他们使用单晶的分析表明，晶体结构与铌酸钾(KNbO)的晶体结构非常相似3)，并表现出在BaTiO中观察到的类似扭曲3，都是众所周知的铁电材料。然而，他们发现RbNbO中铌原子的正交性和位移3超过KNbO3，表明由于相变导致的介电极化程度更高。
此外，通过粉末X射线衍射，研究人员确定了在-268°C至+800°C的温度范围内发生的四种不同的相变。 低于室温，RbNbO3以正交相存在，这是最稳定的构型。随着温度的升高，它经历了转变：首先到220°C以上的四方钙钛矿相，然后到300°C以上的更细长的四方钙钛矿相。 最后，在420°C以上，它恢复到在大气条件下发现的非钙钛矿相。
这些观察到的相变与通过第一性原理计算做出的预测非常吻合。研究人员还计算了RbNbO不同相的介电极化。他们发现正交相的极化为0.33 C m-2，而两个四方相的极化分别为0.4和0.6 C m-2分别。这些值与铁电碱金属铌酸盐(如KNbO)的值相当3(0.32 摄氏度-2)、LiNbO3(0.71 摄氏度-2)和LiTaO3(0.50 摄氏度-2).
“这次获得的高压相位通过观察与铌酸钾相同强度的二次谐波产生证实了极性结构的存在，并且还获得了相对较高的相对介电常数。至于介电常数，正如理论计算所预测的那样，通过增加样品密度，预计可以获得等于或大于铌酸钾的值，“山本教授说。
研究人员正计划进行进一步的实验，以准确测量介电常数并证明RbNbO的高极化3.高压法的优点在于它能够稳定在大气压下不存在的物质。使用所提出的方法，可以将较大的碱金属离子(如铯)掺入钙钛矿结构中，从而产生具有理想介电性能的铁电体。
这项研究得到了大仓一香纪念基金会 2022-2023 年的研究资助和日本 ATLA 第 JPJ004596 号安全创新科学技术计划资助的支持。这项研究还得到了东北大学材料研究所的GIMRT项目(202212-RDKGE-0018)和东京大学固体物理研究所的联合研究项目(202306-MCBXG-0079)的支持。粉末XRD测量在芝浦工业大学的Techno-plaza进行。
