鈦酸鋇基鐵電材料中的氧空位：電子摻雜、居里溫度的歷史依賴性和疇壁釘扎效應

核心概念

氧空位的聚集狀態會影響鈦酸鋇基鐵電材料的電子摻雜程度，進而影響居里溫度和疇壁釘扎效應，並導致材料老化和疲勞。

摘要

鈦酸鋇基鐵電材料中氧空位的影響研究

本研究論文探討了氧空位在 BaTiO3 (BT)、BaxSr1-xTiO3 (BST) 和 (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 (BCTZ) 等鈦酸鋇基鐵電材料中的行為及其對材料性質的影響。

研究方法

研究人員通過在不同氧含量和老化時間下對材料進行加熱和冷卻，測量了其楊氏模量和彈性能量損耗。通過分析彈性能量損耗峰，他們確定了孤立氧空位和氧空位對的跳躍速率和活化能。

研究結果

• 氧空位會導致居里溫度 (TC) 降低，並使其表現出歷史依賴性。在 BT 和 BST 中，TC 會隨著在鐵電狀態下的老化時間而增加，但在 BCTZ 中則沒有觀察到這種現象。
• 氧空位會導致彈性能量損耗峰的出現，這些峰與孤立氧空位和氧空位對的跳躍有關。
• 氧空位會導致疇壁釘扎效應，從而降低材料的彈性能量損耗。

研究結論

• 氧空位的聚集狀態會影響電子摻雜程度。孤立的氧空位會提供兩個電子，而形成氧空位對則會使電子摻雜減半。
• TC 的歷史依賴性可通過氧空位的聚集動力學來解釋。在老化過程中，氧空位會逐漸聚集，從而降低電子摻雜並提高 TC。
• BCTZ 中沒有觀察到老化效應，因為在室溫下，幾乎所有氧空位都已聚集並保持穩定狀態。
• 長時間老化後，TC 會降低，這可能是因為氧空位會遷移到 90° 疇壁，導致電子摻雜增加。

研究意義

這項研究提供了關於氧空位在鈦酸鋇基鐵電材料中行為的新見解，有助於更好地理解這些材料的老化、疲勞和性能退化機制。

統計資料

在 BaTiO3 中，孤立氧空位的跳躍勢壘約為 0.73 eV，而氧空位對的重新定向勢壘約為 0.86 eV。
在 BCTZ 中，孤立氧空位的跳躍勢壘約為 0.80 eV，而氧空位對的重新定向勢壘約為 1.39 eV。
在 BST (x = 0.03) 中，氧含量變化導致的 TC 變化範圍為 21 K。
在 BT 中，長期老化（6 年）後，TC 降低。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Oxygen vacancies in BaTiO3 based ferroelectrics: electron doping, history dependence of Tc and domain wall pinning

by Francesco Co... 於 arxiv.org 10-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.08767.pdf

深入探究

這項研究的結果如何應用於改善鈦酸鋇基鐵電材料的性能和壽命？

這項研究揭示了氧空位在鈦酸鋇基鐵電材料中扮演的複雜角色，以及它們如何影響材料的居里溫度、老化行為和疇壁釘扎。這些發現為改善這些材料的性能和壽命提供了以下途徑：

降低氧空位濃度： 研究表明，氧空位是導致居里溫度下降和老化的主要原因。因此，通過優化製備工藝，例如在富氧環境中燒結，可以減少氧空位的產生，從而提高材料的性能和穩定性。
控制氧空位的聚集狀態： 研究發現，氧空位的聚集狀態會顯著影響材料的電子摻雜和居里溫度。通過調整材料的組成或熱處理條件，可以控制氧空位的聚集狀態，例如促進形成穩定的氧空位對，從而減輕其對居里溫度和老化的影響。
利用氧空位進行疇壁釘扎： 雖然氧空位會導致居里溫度下降，但它們也能夠有效地釘扎疇壁，從而降低介電損耗和提高材料的機械品質因子。因此，可以通過控制氧空位的濃度和分布，在保持較高居里溫度的同時，利用其釘扎效應來改善材料的性能。
開發新型材料： 研究結果表明，BCTZ 材料由於氧空位對的結合能較高，因此表現出優異的抗疲勞性能。這為開發新型鈦酸鋇基鐵電材料提供了思路，例如通過摻雜或合金化來提高氧空位對的穩定性，從而獲得性能更優異的材料。
總之，這項研究為深入理解氧空位在鈦酸鋇基鐵電材料中的行為提供了寶貴的見解，並為改善這些材料的性能和壽命指明了方向。

是否存在其他缺陷或機制也會影響鈦酸鋇基鐵電材料的居里溫度和老化行為？

除了氧空位，其他缺陷和機制也會影響鈦酸鋇基鐵電材料的居里溫度和老化行為：

受體雜質： 如同研究中提到的 Mn 或 Fe 雜質，會與氧空位形成缺陷偶極，影響材料的極化和疇壁運動，進而影響居里溫度和老化行為。
A 位陽離子空位： 鈦酸鋇中的 Ba 空位會造成電荷不平衡，影響氧空位的形成能和遷移率，進而影響材料的電學性質和老化行為。
晶界和表面效應： 晶界和表面區域的缺陷濃度通常較高，這些區域的缺陷行為可能與材料內部不同，進而影響材料整體的性能和老化行為。
空間電荷效應： 鐵電材料中的空間電荷效應會影響內建電場的分布，進而影響疇壁的形成和運動，最終影響材料的介電性質和老化行為。
機械應力： 外部機械應力會影響材料的晶格結構和疇結構，進而影響居里溫度和老化行為。
需要注意的是，這些缺陷和機制之間可能存在相互作用，例如氧空位和受體雜質的相互作用會形成缺陷複合體，進一步影響材料的性能。

氧空位的行為如何與鐵電材料的自發極化和其他物理性質相互作用？

氧空位的行為與鐵電材料的自發極化和其他物理性質存在著密切的相互作用：

自發極化： 氧空位會導致晶格畸變和電荷重新分布，進而影響材料的自發極化。例如，氧空位會降低鈦酸鋇的四方畸變程度，導致自發極化減小。
介電常數： 氧空位會影響材料的介電常數，因為它們會改變材料的極化響應。例如，氧空位會導致鈦酸鋇的介電常數峰值降低並展寬。
壓電效應： 氧空位會影響材料的壓電效應，因為它們會影響材料的機電耦合係數。例如，氧空位會降低鈦酸鋇的壓電常數。
疲勞特性： 氧空位會導致鐵電材料的疲勞，因為它們會在電場循環過程中遷移和聚集，導致疇壁釘扎和退極化。
老化行為： 氧空位是鐵電材料老化的主要原因之一，因為它們會在室溫下遷移和聚集，導致材料的介電性質和壓電性質隨時間而衰減。
總之，氧空位會顯著影響鐵電材料的各種物理性質，包括自發極化、介電常數、壓電效應、疲勞特性和老化行為。理解這些相互作用對於設計和開發高性能鐵電材料至關重要。