哈工大深圳校区陈祖煌教授团队实现无铅钛酸钡薄膜铁电性能大幅提升

哈工大全媒体（刘培香 王涛 王舒邈/文 王涛/图）近日，深圳校区材料科学与工程学院陈祖煌教授团队在铁电薄膜领域取得新进展，研究成果以《氮掺杂实现钙钛矿氧化物铁电性能的显著增强》（Large Enhancement of Ferroelectric Properties of Perovskite Oxides Via Nitrogen-incorporation）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究团队利用脉冲激光沉积工艺，在氮气（N₂）生长气氛中，成功制备了高质量氮掺杂钛酸钡（BaTiO₃）铁电薄膜，并实现了钛酸钡铁电性能的显著增强。

目前化学掺杂调控铁电性通常以阳离子掺杂为主，而阴离子掺杂由于合成困难，通常较少涉及。在可供选择的阴离子中，氮离子（N^3-）和氧离子（O^2-）具有非常相似的电子结构和离子半径。然而，氮气中氮原子间具有很强的共价键，其与氧化物之间的直接反应需要非常高的能量。因此，与阳离子取代的钙钛矿氧化物不同，在惰性氮气气氛中通过传统的固相反应很难直接合成氮掺杂的钙钛矿氧化物。近年来提出的高温氨化反应和低温拓扑化学反应等方法虽可实现氮掺杂，但这些合成方法主要以氨气（NH₃）作为氮源，导致在反应的过程中金属阳离子（如Ti⁴⁺）容易被还原，并且极易引入氢元素，导致漏电流密度增加，极不利于材料的铁电性。

针对上述问题，陈祖煌教授团队利用脉冲激光沉积工艺，在氮气生长气氛中成功合成了氮掺杂钛酸钡铁电薄膜。研究发现随着生长气氛中N₂浓度的增加，BaTiO₃薄膜的绝缘性有了极大的改善，其漏电流密度最高下降了2个数量级；并结合第一性原理计算发现与钛-氧（Ti-O）相比，钛-氮（Ti-N）之间具有更强的杂化作用，它能有效增强钛的离子位移。相应地，氮掺杂钛酸钡薄膜的极化强度达到约70μC/cm²，比钛酸钡块体高3倍，薄膜的居里温度达到约940℃，比块体材料高约7倍。该研究工作不仅为合成氮氧化物提供了一种有效的策略，而且表明了氮掺杂的钛酸钡薄膜在高温无铅铁电领域具有广阔的应用前景，进一步展示了阴离子调控在实现材料性能显著提升方面的巨大潜力。

图1 氮掺杂钛酸钡薄膜四方性的显著增强 

图2 不同氮氧比例气氛下生长钛酸钡薄膜的铁电性 

哈工大深圳校区为论文第一完成单位，陈祖煌教授为论文通讯作者。哈工大深圳校区博士研究生王涛、中国科学院金属研究所宫风辉博士、苏州大学博士研究生马雪、哈工大深圳校区硕士研究生潘燊以及厦门大学魏现奎教授为论文共同第一作者。苏州大学许彬教授、台湾阳明交通大学郭昌洋教授、美国宾夕法尼亚州立大学文卡特拉曼·戈帕兰（Venkatraman Gopalan）教授、德国马克斯·普朗克研究所张春富博士、印度科学学院苏吉（Sujit Das）教授和美国阿肯色大学洛朗（Laurent Bellaiche）教授等参与相关研究工作。

该研究工作获得了国家自然科学基金面上项目和深圳市科技创新项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8830