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第 "# 卷!第 " 期
$%#$ 年 " 月
中国材料进展&'()*+',- ./+0'
1234"#!024"
&564$%#$
收稿日期! $%#$ 7%# 7%>
基金项目! 科技部 :=" 项目 $%#$.89#:;%9
通讯作者! 殷江$ 男$ #:9< 年生$ 教授$ 博士生导师
铁电材料的研究进展
殷!江#
! 袁国亮$
! 刘治国#
!#\南京大学现代工程与应用科学学院 固体微结构物理国家重点实验室$ 江苏 南京 $#%%:""
!$\南京理工大学材料科学与工程学院$ 江苏 南京 $#%%:""
摘!要! 铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景$ 其电子元件有着集成度高% 能耗小% 响应速度快等众多优点&
而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合$ 使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀& 介绍了铁电材料的发展历史和当前
的研究概况& 详细描述了几种铁电材料的性能特点与研究进展$ 包括压电材料及在微机电系统中的应用$ 储能用铁电介质材
料$ 有机铁电薄膜材料$ 具备 $ 种以上初级铁性体特征的多铁材料$ 铁电阻变材料等& 最后$ 总结了铁电材料研究中尚未解
决的技术问题$ 并展望了铁电材料的发展趋势&
关键词! 铁电# 压电材料# 铁电储能# 有机铁电薄膜# 多铁材料# 铁电阻变
中图分类号! (&$$
e
#!!文献标识码! '!!文章编号! #9=; 7":9$"$%#$#%" 7%%$9 7#"
6-*(-$%%'",$--*$2$.&-'.1)&$-')2%
@+0VI5BM
#
$ @G'0?D23I5BM
$
$ ,+GEHIMD2
#
!#\05OI2B53,5L265O26T2Q-23IS -O5OA&IR62PO6DROD6A$ -RH2232Q&2SA6B )BMIBAA6IBM5BS 'YY3IAS -RIABRA$
05B_IBMGBIWA6PIOT$ 05B_IBM$#%%:"$ .HIB5"
!$\-RH2232Q&5OA6I53P-RIABRA5BS )BMIBAA6IBM$ 05B_IBMGBIWA6PIOT2Q-RIABRA5BS (ARHB232MT$
05B_IBM$#%%:"$ .HIB5"
!"#$%&'$'
NA662A3ARO6IRX5OA6I53P$ 2BA2QOHARD66ABO6APA56RH Q2RDPAPZIOH BDXLA6P2QYHTPIR535SW5BO5MAPPDRH 5PHIMH
IBOAM65OI2B$ 32ZABA6MTR2BPDXYOI2B 5BS Q5PO6APY2BPA$ H5PL625S 5YY3IR5OI2B Y62PYAROPIB X5BT5PYAROP\8AIBMR2XLIBAS
ZIOH 2OHA6YHTPIR53OARHB232MIAP$ OHAY62YA6OIAP2QQA662A3ARO6IRX5OA6I53PR5B LAPIMBIQIR5BO3TIXY62WAS\(HASAWA32YXABO
HIPO26T5BS Y6AW5I3IBM6APA56RH Y62QI3A2QQA662A3ARO6IRX5OA6I53PZA6AIBO62SDRAS 5OQI6PO$ OHAB OHAYA6Q26X5BRARH565ROA6IPOIRPIB
SAO5I3$ IBR3DSIBMQIWAXARH5BIPXP' !#" YIA2A3ARO6IR5BS IOP5YY3IR5OI2B IB XIR62[A3ARO62XARH5BIR53PTPOAXP# !$" SIA3ARO6IR
X5OA6I53PDPAS Q26ABA6MTPO265MA# !""26M5BIRQA662A3ARO6IROHIB QI3XP# !;" XD3OIQA662IRZHIRH H5POZ226X26AY6IX56TI62B
RH565ROA6IPOIRP# !<" QA662A3ARO6IR6APIPO5BRAPZIORHIBM\+B 5SSIOI2B$ P2XADB6AP23WAS OARHBIR53IPPDAP2QQA662A3ARO6IRX5OA[
6I53PZA6APDXX56IAS 5BS OHASAWA32YIBMO6ABSPZA6AY62PYAROAS\
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QA662A3ARO6IR# YIA2A3ARO6IR# QA662A3ARO6IRABA6MTPO265MA# 26M5BIRQA662A3ARO6IROHIB QI3X# XD3OIQA662IR# QA662[
A3ARO6IR6APIPO5BRAPZIORHIBM
!
!前!言
最早的铁电效应是在 #:$% 年由法国人 1535PA]在罗
谢尔盐中发现的$ 这一发现揭开了研究铁电材料的序
幕& 在 #:"< 年8DPRH发现了磷酸二氢钾 /
$
bF
;
,,,简
称 ab$ 其相对介电常数高达 "%$ 远远高于当时的其
它材料& #:;% 年之后$ 以 85(IF
"
为代表的具有钙钛矿
结构的铁电材料陆续被发现$ 这是铁电历史上里程碑式
的时期& 直至 $% 世纪 >% 年代$ 随着铁电唯象理论和软
膜理论的逐渐完善$ 铁电晶体物理内涵的研究趋于稳
定& $% 世纪 >% 年代中期$ 薄膜制备技术的突破为制
备高质量的铁电薄膜扫清了障碍$ 并且近年来随着对
器件微型化% 功能集成化% 可靠性等要求的不断提
高$ 传统的铁电块体由于尺寸限制已经不能满足微电
子器件的要求& 铁电器件在向薄膜尺寸量级过渡的同
时又与半导体工艺结合$ 研究者们迎来了集成铁电体
的时代&
集成铁电体是凝聚态物理和固体电子学领域的热门
课题之一& 铁电材料有着丰富的物理内涵$ 除了具备铁
电性之外$ 还具有压电性% 介电性% 热释电性% 光电效
应% 声光效应% 光折变效应以及非线性光学效应等众多
性能$ 可用于制备电容器件% 压力传感器% 铁电存储
!第 " 期 殷!江等' 铁电材料的研究进展
器% 波导管% 光学存储器等一系列电子元件$ 铁电材料
因其广阔的应用前景而备受关注&
目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单
一性能$ 如压电性或者热释电性& 将铁电材料中的性能
综合在一起或者将铁电技术同半导体等其它技术结合在
一起的集成铁电材料有着更为强大的功能& 铁电材料的
研究进展主要包括'
$
提高现有材料的单一性能$ 如压
电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提
高压电系数&
%
开发新型铁电材料$ 如存储能量的电
介质和有机铁电材料&
&
将铁电性同其他性能结合$
包括可以实现磁电互控的具备多种初级铁性的多铁材
料$ 以及可以通过铁电极化调控材料内部电阻的铁电
阻变材料&
"
!压电材料
所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性& 铁电
性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化& 由于铁
电体晶格中的正负电荷中心不重合$ 因此即使没有外加
电场$ 也能产生电偶极矩$ 并且其自发极化可以在外电
场作用下改变方向(#)
$ 如图 #5& 当温度高于某一临界
值时$ 其晶格结构发生改变$ 正负电荷中心重合$ 自发
极化消失$ 这一温度临界值称为居里温度!J
R
"& 压电性
是实现机械能7电能相互转换的一种性质& 若在某一方
向上给材料施加外力使材料发生形变$ 其内部会发生极
化并在表面产生电荷$ 这就是压电效应# 相反$ 若给材
料施加电场则材料会发生形变而产生机械力$ 这就是逆
压电效应$ 如图 #L& 所有的铁电材料都具备上述 $ 种特
性$ 这是构建机电系统的材料基础之一& 随着器件微型
化要求的逐步提高$ 传统的压电块体正逐步向压电薄膜
过渡$ 特别是微机电系统!&IR62)3ARO62XARH5BIR53-TP[
OAX$ &)&-"的出现以及薄膜生长技术的完善$ 使压电
薄膜成为主要的研究内容$ 如图 #R&
图 #!85(IF
"
晶格结构同铁电效应的关系示意图!5"$ 压电效应示意图! L"$ 基于铁电薄膜锆钛酸铅
!bE("的驱动传感设备的结构示意图及输入!电场 I
"
$ 负载"输出!电荷 S
"
$ 位移"!R"
NIM4#!*A35OI2BPHIY LAOZAAB OHA35OOIRAPO6DROD6A2Q85(IF
"
5BS QA662A3ARO6IRAQQARO!5"$ P]AORH 2QYIA2A3ARO6IR
AQQARO!L"$ 5BS IBYDO!I
"
$ 325S" 5BS 2DOYDOY565XAOA6P!SIPY35RAXABO$ S
"
" IB 5ROD5O265BS PABP265YY3I[
R5OI2BPQ26YIA2A3ARO6IR35XIB5OAS Y35OAP!R"
!!并非所有的压电材料都具备铁电性$ 如压电薄膜
EBF$ '30就不具备铁电性& 这两者有着近似的压电性能$
都在(%%%#)方向上表现出压电性& 一般来说 '30比 EBF
有着更大的优势$ 首先'30能够更好地和 -I基的半导体
技术兼容& 另外$ '30的能隙高达 9 A1$ 有着更好的电绝
缘性$ 而 EBF的能隙只有 " A1$ 并且 EB 离子容易变
价($)
$ 因此制备绝缘性好的 EBF非常困难& 良好的直流
导电性会使材料在低频下的介电损耗变大$ 基于这类材料
的传感器和驱动器在 #% / 以下工作时有很大的损耗&
表 # 列出了 " 种压电薄膜的主要性能参数(" 7<)
$ 其
中-
"#$ B
和 #
""$ B
均为压电常数$ 分别代表极化强度 9同应
变% 应力之间的关系#
"
""
是电容率$ O5B
$
是介电损耗#
-
"#$ B
c
"
%
"
""
是压电薄膜应变时产生的电压# -
$
"#$ B
c
"
%
"
""
是
面内波的机电耦合系数# -
$
""
c!
"
%
"
""
*
a
""
"
)
#
$
""$ B
/*
I
""
c
"
%
"
""
是厚度波的机电耦合系数# -
"#$ B
c1P'&!
"
%
"
""
O5B
$
"是
信噪比# *
I
""
为弹性常量&
=$
中国材料进展 第 "# 卷
表 #!不同类型压电薄膜的压电性能$ 介电性能对比
.&"/)#!.12642/532)<,)/)'$%2' &6--2)/)'$%2' 3%,3)%$2)#
.2AQQIRIABOP
EBF
(")
'30
(;)
bE(!# 7"
#
X"
(<)
-
"#$B
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$%> ":< :>
#
$
""$B
/*
)
""
c
"
%
"
""
=4;o 94<o =o d#<o
!!相对于'30和EBF来说!表 #"$ 铁电薄膜锆钛酸铅
bL!E6
!
(I
# 7!
"F
"
!bE("有着更高的压电常数$ bE(是典
型的钙钛矿结构$ 晶格取向% 成分% 晶粒尺寸以及应力
边界等都会极大地影响bE(薄膜的压电性能(9 7>)
& 例如
目前报导的bE(薄膜在准同型相界!&b8"附近4%%#5方
向上的-
"#$ B
高达 $= .cX
$
$ 而随机取向的bE(薄膜-
"#$ B
只
有 = .cX
$左右& 压电系数的提高对降低驱动电压或者提
高响应速度至关重要& 近年来的相关研究大部分集中在
晶格取向(>)或者&b8
(: 7#")对铁电薄膜压电性能的影响方
面& 在bL!E6
!
(I
# 7!
"F
"
薄膜中随着 E6含量的增加$ bE(
晶格结构发生畸变$ 从四方相!###"逐步向三方相!#%%"
转变$ 而当E6掺杂量达到 <%o时出现&b8$ 压电系数 #
和-达到最大值(: 7#")
& 但是$ bE(薄膜要应用到具体器
件中$ 除了需要&b8之外还要有合适的相变温度& 一般
来说$ 低温下bE(薄膜的压电性能会有所提高$ 但是低
温不仅使器件对温度产生依赖$ 更重要的是妨碍了压电
器件的实际应用(#;)
& 因此$ 目前在研究压电材料获得准
同型相界的同时如何提高相变温度也是研究重点之一&
在准同型相界附近的bE(和 bL@L
#c$
0L
#c$
F
"
[bL(IF
"
薄膜
的相转变温度都在 "9% w附近(#< 7#9)
$ 8I&AF
"
[bL(IF
"
的
相变温度更高一点& 而报导的8I-RF
"
[bL(IF
"
"9c9; 陶瓷
压电系数 #
""
高达 ;9< Y.c0并且相变温度为 ;<% w
(#;)
&
同陶瓷或者单晶相比$ 压电薄膜的相变温度略有差异
!误差在 <% w左右"$ 因此块体材料的研究起着很好的
引导作用(#)
&
压电材料的应用十分广泛$ 粗略地分为振动能和超
声振动能7电能换能器$ 包括电声换能器$ 水声换能器
和超声换能器等$ 还有其它一些传感器和驱动器应用$
而驱动器和传感器正是近年来出现的微机电系统 &)&-
的核心研究开发内容& &)&-是微电子与微机械的结合
体$ 是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械
加工技术的发展而发展起来的$ 有着高度集成化% 微型
化的特点$ 在众多工业领域中都有着广泛的应用&
由于压电薄膜具有优异的压电效应和逆压电效应并
且介电常数高% 稳定性好$ 因此制备出来的微型传感器
和驱动器等压电器件有众多优势'
$
在高频共振体系
中$ 传统的高频静电驱动器虽然有了很大的进展$ 但是
这类器件不仅要求发达的图像成形技术以满足小尺寸要
求$ 同时还要克服容易受到外界环境的巨大影响的弱
点$ 而压电材料本身的谐振频率就在 &/ d?/ 之间$
并且有着很好的温度稳定性$ 工艺制造相对简单很多$
而且已经制备出了如扫描声学显微镜(#=)和薄膜声波谐
振器!N8'*"
(;)等&)&-器件&
%
微型压电传感器除了
必要的电荷或者电压之外并不需要额外的动力$ 能耗很
低并且具有宽广的动态范围和低噪音层&
&
压电材料在
很小的驱动电压下就能产生很大的振幅$ 几乎没有滞后
现象$ 这意味着响应速度非常快$ 而其它的基于电流的
驱动设备如热式或者磁式驱动器的反应较慢&
'
在微米
量级上$ 由于传统电磁驱动器尺寸达不到要求$ 已经很
难应用在&)&-上$ 而压电传感器却有着小尺寸% 高能
量集成的优点$ 并且像静电感应那样$ 压电传感或者驱
动只需电接触就能产生电信号$ 在芯片中很容易处理这
些电信号&
#
!储能用铁电介质材料
作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电
源$ 为脉冲功率装置的负载提供电磁能量$ 主要由初级
能源% 能量储存系统% 能量转换和释放系统组成& 目
前$ 主要有机械能储能% 电容器储能% 电化学储能 " 种
方式用于脉冲功率技术的能量储存& 相对于其它储能器
件$ 电容器储能因为具有储能密度高% 能量释放速度
快% 可靠性高% 安全性高% 价格低廉以及较易实现轻量
化和小型化等优点$ 因此成为目前高功率脉冲电源中应
用最广的储能器件之一(#> 7#:)
&
>$
!第 " 期 殷!江等' 铁电材料的研究进展
!!根据介质材料极化强度随外场的变化规律$ 可以将
储能材料分为 " 大类' 线性介质% 铁电介质和反铁电介
质& 这 " 类介质材料的储能原理和储能密度!24I$
"
4I
曲线"如图 $5dR所示&
图 $!" 类介质材料的24I%
"
4I曲线!阴影部分面积为电介质的储能密度"
NIM4$!24I5BS
"
4IRD6WAP2QOH6AA]IBSP2QSIA3ARO6IRX5OA6I53P!OHAPH5SAP56AOHAABA6MTSABPIOT2QSIA3ARO6IR"
#
4
!
!
617.8
#
基陶瓷
以85(IF
"
陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常
数$ 是制造铁电陶瓷电容器的基础材料$ 也是目前国内
外应用最广泛的电子陶瓷材料之一& 在介电层厚度确定
的情况下$ 材料的介电常数越高$ 电容器的比电容越
大$ 越易于实现器件的小型化& 许多研究结果表明$ 掺
!!
杂可以改善85(IF
"
陶瓷的介电性能从而更有利于储能
电容器应用$ 可以掺杂的元素离子包括 0S
" e
$ .5
$ e
$
-6
$ e
$ ,5
" e
$ -B
; e
$ E6
; e
$ &M
$ e
$ .2
" e
$ 0L
< e
$ &B
; e和
稀土离子的掺杂($%)
& 表 $ 为常用的高介电稳定性
85(IF
"
铁电陶瓷系统材料的配方$ 添加物种类及其测试
的性能($#)
&
表 $!高介电稳定性 85(IF
"
铁电陶瓷系统的配方及其性能
.&"/)$!0%)#'%23$2,6#*#$)5# &6-3%,3)%$2)# ,4=&.2>
"
4)%%,)/)'$%2' ')%&52'# +2$112;13)%52$$2?2$* &6-12;1#$&"2/2$*
&5OA6I53P a2YIBMP
"
6
(
5/5
7#
co O5B
$
c#%
7;
85(IF
"
NA
$
F
"
$ EBF
# <%% px<! 7$< de#%% w" #%%
85(IF
"
[.5-BF
"
&B.F
"
$ EBF
$% %%%
*
! 7$% de9% w" ## %%%
85(IF
"
[8I
$
!-BF
"
"
"
0L
$
F
<
$ EBF
$ ;%% px#%! 7<< de>< w" #"%
85(IF
"
[.5E6F
"
[8I
"
0LE6F
:
&B.F
"
$ EBF$ .AF
$
9 %%% px<<! 7<< de>< w" #%%
85(IF
"
[E6F
$
[,5
$
F
"
8I
$
F
"
$ -BF
$
d" %%% px#%! 7<< de>< w" $%%
85(IF
"
[0L
$
F
<
[.2
$
F
"
(IF
$
$ .AF
$
d" %%% px#%! 7$< de>< w" #>%
!!85!(I
# 7!
E6
!
"F
"
!8(E"是 85(IF
"
基多层陶瓷电容器
最重要的材料体系之一& 85(IF
"
的高介电常数随着 E6
的引入得到进一步提高$ 且温度稳定性也得到进一步改
善$ 达到了 E<G的标准& 研究表明($$)
$ 在 &B 掺杂的
8E(中$ 要改善其介电老化性能需要尽可能提高退火过
程中的氧分压&
最近报导了一种具有良好温度稳定性的高介电常
数% 高电阻率的85(IF
"
[%4"8I-RF
"
陶瓷材料& 用该陶瓷
制作的单介电层电容器室温 =" ]1cXX时的储能密度达
到 94# VcRX
"
$ 这显著高于K=*商用电容器的相应性能&
并且$ 该电容器在 "%% w仍保持高储能密度$ 从而具有
高储能密度高温电容器的应用潜力($")
&
#
4
"
!
9)7.8
#
基陶瓷
-6(IF
"
基陶瓷具有高介电常数$ 低介电损耗和稳
定的温度% 频率和电压特性$ 是用于制备大容量陶瓷
晶界层电容器的理想材料& @5X52]5等研制出的系列
陶瓷不仅具有优良的介电性能和显著的伏安非线性特
性$ 而且具有吸收 # %%% d" %%% 'cRX
$ 这样较高电涌
的能力$ 所以该材料兼有大容量电容器和压敏电阻器
的功能&
-88(陶瓷属于 -6(IF
"
系$ 是在 -6(IF
"
[6!8I
$
F
"
/
%(IF
$
"系!简称 -8("陶瓷的基础上加入 85(IF
"
等烧制
而成的$ 具有介电常数大$ 介质损耗小$ 击穿场强高的
特点($;)
&
:$
中国材料进展 第 "# 卷
#
4
#
!
7.8
"
陶瓷
(IF
$
陶瓷具有高的耐击穿强度! d"<% ]1cRX"和较
高介电常数! d##%"$ 从而具有可观的储能密度& 研究
表明($<)
$ 纳米晶(IF
$
陶瓷比粗晶制备的 (IF
$
陶瓷具有
更高的耐击穿强度!最高可达 $ $%% ]1cRX"&
#
4
$
!
:;7
基陶瓷及薄膜
bL!E6$ (I"F
"
!bE("基电容器储能材料体系的典型代
表是具有反铁电双电滞回线的 bL!E6$ -B$ (I"F
"
!bE-("
陶瓷及薄膜& 如bL
%4:"
,5
%4%;
0L
%4%$
!E6
%4;$
(I
%4#>
-B
%4;%
"
%4:>
F
"
陶
瓷在 ; ]1cXX时储能密度达到 %4"% VcRX
"
$ 并支持几百
次的充放电($9)
& 又如 bL
%4:$<
,5
%4%<
!E6
%4;$
-B
%4;%
(I
%4#>
"F
"
陶
瓷在 ; ]1cXX时储能密度达到 %4<< VcRX
" ($=)
& 另外$
溶胶凝胶法制备的,5<o的bLE6F
"
薄膜在 9% ]1cXX时
储能密度达到 #;4: VcRX
" ($>)
&
#
4
%
!
:/-
基陶瓷
以铌镁酸铅bL!&M
#c"
0L
$c"
"F
"
!简称b&0"为代表的
铅基复合钙钛矿结构弛豫型铁电陶瓷$ 以其优良的介
电% 铁电性能$ 在多层陶瓷电容器!&,.."和高压高介
电常数电容器等诸多方面$ 正越来越被各国学者所关
注$ 具有十分广阔的应用前景& b&0[b(
($:)
$ b&0[b(7
8(
("%)也都属于b&0基的电容器材料&
#
4
2
!
6-7
[
67
陶瓷
近年来满足耐高温特性的&,..材料已引起了众多
学者的关注& 85(IF
"
!8("由于具有高介电性能$ 已大
量应用于制备温度稳定型多层陶瓷电容器("# 7"")
$ 但 8(
的居里温度不高!J
R
f#$% w"$ 当温度超过 J
R
后$
"
6
会
急剧下降("; 7"<)
$ 使其无法满足电子装置对温度特性日益
苛刻的要求& 05
%4<
8I
%4<
(IF
"
!80("因具有高 J
R
!"$% w"
和与8(相同的钙钛矿型结构而受到广泛的关注& 王力
等("9)在80(掺杂 8(的基础上$ 通过引入 8I0LF
;
和
0L
$
F
<
掺杂剂$ 获得了在 7<< de$%% w范围仍保持高
稳定性!
(
5Q5px#<o"% 低介电损耗!O5B
$#
$4<% h
#%
7$
"的新型陶瓷电容器材料&
#
4
<
!
6-7
[
67
[
=--
陶瓷
最近$ 张善涛等("=) 研究发现$ 将 `
%4<
05
%4<
0LF
"
! 00"引入80([8(体系后得到一种无铅反铁电电滞伸
缩材料80([8([00& 因其具有反铁电特性$ 所以这类
电容器储能特性也被研究& 最近的研究表明("> 7":)
$
80([8([00陶瓷的储能密度可以与 bE(基陶瓷的储能
密度相比拟$ 组分为 %4>"=80([%4%9"8([%4# 00$ 在 <
]1cXX时储能密度达到 %4;$; VcRX
"
& 另外$ 它还具有
高温电容器的应用潜力(;%)
&
#
4
>
!聚合物
b!1aN[(6N)[.N)" 在组分配比为 <>4"c";4$c=4<
!物质的量分数$ !o"时$ 获得了一种高储能密度
!<=< ]1cXX时储能密度高达 #= VcRX
"
"和高放电速度
! p#
#
P"的聚合物材料(;#)
& 另外$ 研究指出将陶瓷与
聚合物复合可以大大提高耐击穿强度(;$ 7;")
&
$
!有机铁电薄膜材料
有机铁电薄膜的制备方法包括溶胶 7凝胶法% 旋涂
法!-YIB[.25OIBM"% 分子束外延技术及 ,5BMXDI6[832S[MAO
膜技术等& 与传统的无机材料相比$ 有机聚合物材料具
有易弯曲% 柔韧性好% 易加工% 成本低等优点而备受关
注& 作为一种新型的铁电体$ 铁电高分子聚合物的研究
主要以聚偏氟乙烯!b23T1IBT3ISABAN3D26ISA$ b1aN"及其
共聚物为代表& 此外$ 具有铁电性的聚合物材料还有聚
三氟乙烯% 聚氨酯和奇数尼龙等(;; 7;9)
& 有机铁电材料
具有良好的压电和电致伸缩效应% 热电效应% 光电效
应% 光学非线性效应和介电响应$ 广泛应用于传感器%
探测器% 换能器% 非易失性存储器等电子器件中& 这里
主要介绍以聚偏氟乙烯及其共聚物为代表的铁电高分子
聚合物材料在存储器中的应用&
正如前面提到的$ 聚偏氟乙烯及其共聚物是目前研
究最为广泛的铁电聚合物& $% 世纪 9% 年代末$ 5Z5I
发现聚合物b1aN具有铁电性(;=)
& 随后$ 人们对 b1aN
的微观结构和功能机理进行了研究$ 深入了解了这一铁
电聚合物& b1aN有几种不同的构型$ 包括全反式
(((($ 顺反交替式 (?e$ (?7$ (((?e和 (((?7构
型& 这些不同构型的分子链按照不同的排列方式造成了
b1aN不同的晶形$ 其中%
$
&
$
'
和(
相是 ; 种最常见
的晶形&
&
相的分子链是全反式构型$ 偶极子按相同方
向排列$ 具有较大的自发极化强度&
%
相中的分子链呈
无极性的排列$ 偶极矩由于相互抵消整体不显极性&
'
和(
相具有较弱的极性(;>)
& 而偏氟乙烯!1IBT3ISABAN3D[
26ISA"和三氟乙烯 !(6IQ3D262[)OHT3ABA"的二元共聚物 !b
!1aN[(6N)""具有比 b1aN更好的铁电性能& 这是因为
用氟取代氢后$ 氟原子的直径略大于氢原子的直径$ 在
空间位阻的作用下$ 全反式的 ((((结构更容易形
成(;<$ ;:)
& 图 " 中展示了不同物质的量比的 1aNc(6N)共
聚物的24I回线和介电常数随温度的变化& 1aN物质的
量分数为 =<o的共聚物展现了较好的电滞回线$ 剩余
极化强度和矫顽场分别为 #%% X.cX
$和 <% &1cX
(<%)
&
铁电存储器利用铁电材料产生的不同方向的剩余极
化来存储信息$ 基于有机铁电聚合物薄膜的电容结构的
铁电存储器在 #::< 年被提出& 用 b!1aN[(6N)"铁电聚
合物薄膜制备的铁电存储器展现了较好的性质$ 但其自
身存在着破坏性读取的缺点&
%"
!第 " 期 殷!江等' 铁电材料的研究进展
图 "!不同物质的量比的1aNc(6N)共聚物的 24I回线!5"和介电常数随温度的变化曲线!L"
NIM4"!24I322YP2Q1aNc(6N)R2Y23TXA6ZIOH W56I2DP&235665OI2P!5" 5BS SIA3ARO6IRR2BPO5BOZIOH OAXYA65OD6ARD6WA!L"
!!针对铁电存储器破坏性读取的缺点$ 研究人员曾经
探索过一种新的非破坏性读取的器件结构& 尝试用铁电
体薄膜替代 &F- 晶体管中的栅介质层$ 这样可以通过
栅极电压改变铁电体薄膜的极化状态实现对源漏电流的
调制& 根据源漏电流的相对大小即可读出存储信息$ 不
会影响铁电体薄膜的极化状态$ 因此读取是非破坏性
的& @5X5DRHI在 $% 世纪 >% 年代中期提出了把铁电聚合
物薄膜作为栅介质层应用在场效应管中实现非易失性存
储(<#)的想法& 由于铁电聚合物薄膜可以在室温下制备$
避免各层物质间的相互扩散$ 因此有机铁电薄膜在铁电
场效应管中展现了一定优势$ 有效避免了无机铁电薄膜
制备过程中为防止互扩散而使用的缓冲层(<$)
& $%%; 年$
-RH62ASA6等人报道了利用共聚酰胺 b23T!X[JT3T3ABA
'SIY5XISA"铁电聚合物薄膜制备的铁电场效应管$ 该器
件全部由有机材料构成(<")
& 其转移特性曲线表现出了
明显的滞后现象' 在 7$4< 1栅电压下$ 器件高% 低电
阻态电阻值比为$%%$ 保持时间约" H& 在该器件中$ 并五
苯半导体薄膜是在真空中蒸镀的& $%%< 年$ 05LA6等人通
过旋涂法制备了聚合物铁电场效应存储器& 该器件选用
b!1aN[(6N)"!9<m"<"作为栅介质层$ &)/[bb1!b23T($[
&AOH2JT[<[!$[)OHT3[/AJT32JT"[Y[bHABT3ABA[1IBT3ABA)"作为
半导体层& 作为对比$ 另一器件选择无铁电性的 b(6N)
作为栅介质层& 结果表明$ 非铁电性b(6N)薄膜作为栅
介质层的器件无存储效应$ 而选用铁电薄膜 b!1aN[
(6N)"作为栅介质层的器件展现了优异的存储特性' % 1
栅电压下$ 器件高% 低电阻态电阻值比超过 #%
;
# 保持
时间超过 = S# 稳定工作 # %%% 次以上# 写入速度和擦除
速度分别为 %4" XP和 %4< XP
(<;)
&
由于用铁电薄膜的有机薄膜场效应管存储器展现
了较好的存储特性$ 具有简单的器件结构$ 因此它们
可以直接合成到现今的有机场效应管电路中& 下一步
需要改进的是铁电薄膜和半导体的接触界面和提高保
持性能&
%
!多铁性材料
多铁性材料指具有 $ 种以上初级铁性体特征的材
料$ 此类性质包括铁电性% 反铁电性% 铁磁性以及反铁
磁性等& 多铁性材料的研究是目前材料科学及凝聚态物
理中的一个宽广的新领域$ 蕴含着丰富的材料科学与物
理学研究课题$ 以及可预期的广阔应用前景&
铁电存储器!NA*'&P"读写速度快% 集成度高$ 然
而存在破坏性读取和疲劳等问题& 磁致电阻随机存储器
!&*'&P"的读取虽是非破坏性的$ 但却有读取时间较
慢并且磁写入所需功率较大等缺点& 多铁性材料的出现
为 NA*'&P和&*'&P各自优点!低功率的电写入操作
和非破坏性的磁读取操作"的融合提供了契机& 多铁性
材料具有同时存在的铁电性和磁性$ 是一种新型多功能
材料$ 提供了同时用电极化和磁化来编码储存信息的可
能性$ 而且还存在磁性和电性的强耦合$ 可以实现磁性
和电性的互相调控(<<)
$ 如图 ; 所示&
(9=)
同时具备铁电性和铁磁性的多铁材料是相当稀少
的$ 这主要因为大多数铁电性的形成是由于阳离子偏离
晶格中心并且原子 S轨道没有电子填充$ 而大多数磁性
的形成需要电子部分填充 S轨道$ 这两者的形成机制有
很大区别(<9)
& 因此为了将铁电性和铁磁性融合在同一
的单相材料中$ 偏离晶格中心而产生电偶极子的那部分
#"
中国材料进展 第 "# 卷
原子必须同导致磁性的原子不同& 在理论上存在着不同
的合成机制$ 在磁性材料中掺入没有 S轨道电子的元素
或者在铁电材料中掺入具备磁性的元素& 但在实际中只
有后者才会被实现& 不同机制的多铁材料为今后的研究
提供了广阔的空间& 第一种多铁材料的构建原理是具备
磁性的钙钛矿氧化物!'8F
"
型"$ '位原子提供弧对电
子对并产生铁电性$ 而 8位则由具备磁性的阳离子构
成& 目前为止这种机制典型的单相材料是铁酸铋
!8INAF
"
"
(<=)
$ 如图 < 所示$ 是一种以 8I为基础的多铁
材料& 第二种方法是依靠特殊的几何结构使铁电性和磁
性共存$ 如@&BF
"
和850IN
;
都是这类材料(<> 79%)
& 最近
(L&BF
"
也引起了人们的关注$ (L&BF
"
具有低对称性
的磁性基态和反演对称性差的特点$ 这就导致了其电极
化很小(9#)
$ 但是由于可以直接通过磁序控制其电序$
所以这种材料可能有着很强的磁电耦合系数& 同 (L&[
BF
"
相反的一种多铁机制也在研究中$ 这种机制的原理
是在铁电材料中通过降低晶格畸变的不对称性来获得微
弱的铁磁性(9$ 79")
& 最后在磁性材料中$ 非中心对称的
电荷有序排列也会产生铁电性$ 如,DNA
$
F
;
(9; 79<)
& 有一
个关键问题需要我们在这里指出$ 铁电材料必然有着很
好的绝缘性$ 否则能够移动的电荷会使电极化消失$ 然
而很多铁磁材料是含有金属的$ 并且绝大部分磁性绝缘
体只具备反铁磁序& 这样材料的绝缘性也会带来很多的
问题$ 例如对于部分漏电的多铁材料$ 即使有着非中心
对称的结构$ 还是会因为移动的电子而抑制了自身的铁
电性(99)
&
尽管迄今为止对于铁电性和磁性的研究都集中于凝
聚态物理范畴和相关材料$ 在基础物理和技术应用上仍
存在大量问题(9= 79:)
& 需要观注的主要问题有 $ 个方面'
第一是合成电偶极子同磁性自旋序共存于一身的材料#
第二是充分认识在多铁材料中电性能和磁性能之间的耦
合效率尤为重要$ 这是实现多铁控制的基础&
图 ;!多铁性材料中铁电性和铁磁性之间的调控机制& 多铁材料不仅具备优秀的电极化和磁化性能$ 还可以通过磁
场调控铁电极化$ 也可以通过电场调控磁化
NIM4;!-]AORHAP2QQA662A3ARO6IRIOT5BS QA662X5MBAOIPXIBOAM65OI2B 5PZA335POHAXDOD53R2BO623LAOZAAB OHAXIB XD3OIQA662IRP\
N5W26AS XD3OIQA662IRPZ2D3S 2QQA6B2O2B3TAJRA33ABOQA662A3ARO6IRY2356I5OI2B 5BS QA662X5MBAOIRX5MBAOI5OI2B$ LDO53P2
HIMH[gD53IOTY2356I5OI2B[X5MBAOIRQIA3S HTPOA6APIP5BS X5MBAOI5OI2B[A3ARO6IRQIA3S HTPOA6APIP
2
!铁电阻变材料
不同于铁电材料在极化翻转过程中产生的瞬态电
流$ 铁电极化调制铁电材料内部电阻在 $%%: 年以前鲜
有报道$ 尚未有成熟的理论& 传统意义上$ 当铁电材料
的电阻值在绝缘体范围$ 铁电极化能够被翻转$ 同时伴
随较大的瞬态极化电流$ 但是穿过铁电材料自身的稳态
电流!比如漏电流"非常微弱$ 此时无需考虑铁电极化
与铁电材料自身稳态电流的耦合关系& 当铁电材料的电
阻值较小时$ 铁电极化难以翻转$ 即难以观测到铁电极
化翻转与铁电材料自身稳态电流的耦合现象& $%%% 年
前后 VD3I5B等人提出$ 如果铁电薄膜尺度在 < BX以下$
电子可以在小于铁电矫顽场的电场作用下隧穿铁电薄
膜$ 样品的电阻值较小$ 铁电薄膜的极化翻转将影响电
子隧穿势能和隧穿电流(=%)
& 理论上$ 电子隧穿几率随
铁电薄膜厚度的增加而指数降低$ 所以隧穿理论无法独
$"
!第 " 期 殷!江等' 铁电材料的研究进展
!!
图 <!!5" 8INAF
"
的晶格结构' 8I原子沿着(###)方向位移$ NAF
9
所构成的正八面体沿着(###)方向形变$ 因此极化方
向为(###)$ 如箭头所示# !L" 8INAF
"
单晶的铁电回线!94I"# !R"$ !S" 8INAF
"
的自旋结构$ 波矢 P沿着(#%#)而
极化方向沿着(###)$ 明确了!#$#"面上自旋状态$ 如图中阴影部分所示
NIM4<!!5" ,5OOIRAPO6DROD6A2Q8INAF
"
' 8II2B PHIQOIBM532BMOHA(###) SI6AROI2B 5BS OHASIPO26OAS NAF
9
2RO5HAS65PD662DBSIBMOHA
(###) 5JIP\b2356I5OI2B 9Y2IBOP532BMOHA(###) SI6AROI2B$ IBSIR5OAS LTOHA5662Z$ ! L" XA5PD6AS 94I322Y Q268INAF
"
PIBM3AR6TPO53$ !R"$ !S" PYIB R2BQIMD65OI2B 2Q8INAF
"
\(HAPYI653PYIB Y62Y5M5OI2B Z5WAWARO26PIP532BMOHA(#%#) SI6AROI2B
5BS OHAY2356I5OI2B IP532BMOHA(###) SI6AROI2B\(HAPAOZ2SI6AROI2BPSAQIBAOHA!#$#" RTR32IS53Y35BA2B ZHIRH OHAPYIB
62O5OI2B Y62RAASP$ 5PPH2ZB LTOHAPH5SAS 6AMI2B IB
立解释铁电极化如何调控 #% BX以上厚度铁电样品的稳
态电流&
$%%: 年以来$ 铁电极化调控铁电材料自身电阻有
重大突破$ 揭开了这一领域快速发展的序幕& 美国 *DO[
MA6PGBIWA6PIOT大学的 .H2I制备了 =%
#
X$ 单一铁电畴$
具有半导体特征的 8INAF
"
单晶$ 他们发现电流 7电场
曲线具有单向电流特征$ 样品在光辐射条件下产生光伏
电流$ 并且极化翻转可以调控单向电流和光伏效应!图
9"
(=#)
& 法国 .0*- 国家实验室的 ?56RI5等发现$ 纳米
级厚度的 85(IF
"
外延薄膜具有良好的铁电性$ 电子能
够量子隧穿铁电薄膜$ 而且铁电薄膜的极化翻转引起隧
穿势垒的变化$ 从而导致铁电薄膜极化翻转前后穿过铁
电薄膜的隧穿电流剧烈变化$ 比如$ 在 " BX的 85(IF
"
铁电薄膜中$ 铁电极化翻转可以导致薄膜的电阻变化
=<% 倍!图 ="
(=$)
& 进一步的研究发现在 $ BX[NAc# BX[
85(IF
"
c"% BX[,5
%49=
-6
%4""
&BF
"
的-三明治.隧道磁电阻结
构中$ 隧穿电流同时受到磁矩和铁电极化翻转的双重调
控!图 >"
(=" 7=;)
& 美国 F5] *ISMA国家实验室 bAOA6等发
现$ 在 "% d<% BXbL!E6
%4$
(I
%4>
"F
"
$ #%% d#$% BX的
!8I
%4>=<
.5
%4#$<
"NAF
"
薄膜中$ 铁电极化翻转导致样品的阻
值变化高达 <%% 倍$ 电流7电场曲线具有记忆功能和单
向电流特征(=<)
& 加州伯克利的 *5XAPH 等人发现 8I
# 7!
.5
J
NAF
"
外延薄膜中氧空位是 0型掺杂$ .5是 b型掺
杂$ 8I
%4>=<
.5
%4#$<
NAF
"
外延薄膜中可以同时存在 0型% b
型和 b[0结$ 铁电极化过程中容易引起氧空位迁徙$ 从
而调控b[0结和其电流特征(=9)
& 不同于铁电场效应管
!通过铁电极化翻转引起 -I沟道内的载流子浓度和电阻
变化"$ 铁电极化翻转改变其自身的稳态电流和电阻$
""
中国材料进展 第 "# 卷
目前尚不清楚铁电极化翻转如何调制材料自身的能带带
隙% 隧穿势垒% 载流子% 耗尽层等& 先前的理论$ 无法
完美解释上述论文报道的复杂多变的实验现象(=% 7=9)
$
相关作者也只是罗列了几种可能的解释&
图 9!:%
#
X8INAF
"
单晶样品中$ 铁电极化翻转调控准二极管单向电流特征' 施加脉冲电压翻转铁电极化的示意图!5"$
8INAF
"
单晶表面形貌$ 以及极化样品之后通过压电力显微镜!bN&"观察到的单一铁电畴! L"$ 8INAF
"
单晶极化之后的
+[)曲线!R"
NIM49!*AMD35OADBISI6AROI2B53RD66ABORH565ROA6IPOIR2QgD5IPI[SI2SALTQ3IYYIBMA3ARO6IRY2356I5OI2B 2Q8INAF
"
!:%
#
X" PIBM3AR6TPO53
P5XY3A' P]AORH 2QQ3IYYIBMA3ARO6IRY2356I5OI2B 2Q8INAF
"
LTYD3PAS W23O5MA!5"$ O2Y2M65YHTIX5MA5BS 2DO[2Q[Y35BAbN&IX5MAP2Q
8INAF
"
ZIOH S2ZBZ56S 5BS DYZ56S Y2356I5OI2B !L"$ 5BS +[)RD6WA2Q8INAF
"
!R"
图 =!# BX$ $ BX$ " BX厚度的85(IF
"
外延薄膜被正c反电场极化之后$ 对应的压电力显微镜!bN&"铁电畴图
像!5$ L$ R"$ 相应区域的导电原子力显微镜!R2BSDROIWA['N&"的电导图像!S$ A$ Q"$ 相应区域的电阻变
化曲线!M$ H$ I"$ 隧穿电阻与 85(IF
"
薄膜厚度的依赖关系!_"$ 铁电极化翻转引起的隧穿电阻变化率
()*$ 即!;
HIMH
[;
32Z
" c;
32Z
!]"
NIM4=!b56533A3bN&YH5PAIX5MA!5dR" 5BS .('N&6APIPO5BRAX5YYIBM! S dQ" 2QQ2D6Z6IOOAB QA662A3ARO6IRPO6IYAPQ26
8(FQI3XP$ !MdI" R266APY2BSIBM6APIPO5BRAY62QI3AP2QOHAY23AS 56A5$ !_" OHIR]BAPPSAYABSABRA2QOHA6APIPO5BRA
!;"2QDBY23AS !PgD56AP"$ 5BS Y2PIOIWA3T!O6I5BM3AP" 5BS BAM5OIWA3T!RI6R3AP" Y23AS 6AMI2BP$ !]" OHA()*53P2
IBR6A5PAPAJY2BABOI533TZIOH &
8(F
$ 6A5RHIBM=< %%%o Q26OHA" BXQI3X
!!虽然上述半导体二极管调制% 光伏电流调制% 电致
电阻调制% 隧道磁电阻调制等现象复杂多变% 牵涉多种
材料和异质结$ 但都是通过铁电极化翻转调控穿过铁电
层自身的电子稳态输运过程$ 因此都属于-铁电极化,
电子稳态输运.耦合范畴&
最新的发现蕴藏复杂深厚的物理内涵$ 为更精细的
;"
!第 " 期 殷!江等' 铁电材料的研究进展
图 >!-三明治.隧道磁电阻异质结!5"$ VDBROI2By# 样品在外加恒定电压为 7<% X1% 温度 ;4$ `的条件下$ 铁电极化方向分
别面对或背对,-&F状态下的隧道磁电阻J.;! f!;
HIMH
[;
32Z
" c;
32Z
" !L$ R"$ VDBROI2By$ 样品在同等条件下$ 铁电极
化方向分别面对或背对,-&F状态下的隧道磁电阻!S$ A"
NIM4>!-]AORH 2QOHAA3ARO6IR53R2BO6232QPYIB Y2356I5OI2B 5OOHANAc8(FIBOA6Q5RA!5"$ ;!E" RD6WAPQ26_DBROI2B y# !T
a.
f7<% X1$
Jf;4$ " 5QOA6Y23IBMOHAQA662A3ARO6IRL566IA6S2ZB 26DY$ 6APYAROIWA3T!L 5BS R"$ ;!E" RD6WAPQ26_DBROI2B y$ !T
a.
f7<% X1$
Jf;4$ " 5QOA6Y23IBMOHAQA662A3ARO6IRL566IA6S2ZB 26DY$ 6APYAROIWA3T!S 5BS A"
实验和理论提供了广阔的空间& 通过铁电极化调控电阻
和磁电阻等电子的输运过程涉及多个领域' 纳米级铁电
薄膜中电子的量子隧穿(=%$=$ 7=<)
# 铁电极化调控类二极
管的单向电流# 铁电极化调制光伏效应甚至非线性光学
系数# 铁电极化诱导半导体耗尽层(=#$=9)等& 上述这些
复杂的实验现象$ 可以总结为-铁电极化,电子稳态输
运.耦合效应& 这类现象比较复杂$ 也尚未有丰富的实
验数据可供参考$ 因此当前的认识还比较模糊& 总之$
进一步探索新材料% 新体系和深化相关物理机制的研
究$ 将有助于人们把对-铁电极化,电子稳态输运.耦
合的理解推进到更深更广的层次&
<
!结!语
近年来$ 虽然铁电材料的各种性能都有了很大的进
步$ 并且部分已经应用到了实际生活中$ 但是铁电材料
在基础物理和技术应用方面仍然存在着许多问题和困
难$ 如铁电薄膜微型化% 半导体界面兼容性% 抗疲劳能
力以及高温稳定性等一系列问题尚未得到解决& 而对多
铁性材料来说$ 铁性和磁性的研究依旧集中于凝聚态物
理范畴和相关材料$ 合成电偶极子同磁性自旋序共存的
材料以及电性能和磁性能之间的耦合效率仍是主要问
题& 同时铁电阻变材料的研究还在初步发展阶段$ 通过
铁电极化翻转调控铁电层自身电阻尚未得到清晰的认
识& 总之$ 铁电材料有着广阔的发展空间$ 但在铁电材
料真正的规模应用之前$ 仍有许多基础问题需要研究
解决&
致!谢!感谢中科院上海硅酸盐研究所的王根水研究员
和苏州大学功能纳米与软物质研究院的高旭博士$ 他们
对本文的起草和修改做了很多工作&
参考文献!
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(#) (623IA6[&R]IBPO6T-$ &D653Ob\(HIB NI3XbIA2A3ARO6IRPQ26&)&-
(V)\G()'%/0(BI0-*&'(*-'/6+*1$ $%%;$ #$' = 7#=\
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U?*&)/&('1$ #::=$ <!""' $$: 7$"<\
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中国材料进展 第 "# 卷
(") ?D53OIA6IV?$ 2PIBP]IV'$ 85335O2'\bIA2A3ARO6IR&5OA6I53PQ26
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(;) aDL2IP&'$ &D653Ob\b62YA6OIAP2Q'3DXIBDX0IO6ISA(HIB NI3XP
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(V)\?7709:81>-&&$ #:::$ =;' " %"$ 7" %";\
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(9) -5IO2 $ D62P5Z5($ ']5I($ -&/0\-O6DROD653.H565ROA6I5OI2B
5BS :%za2X5IB .2BO6ILDOI2B O2NA662A3ARO6IRIOT2Q)YIO5JI53bL
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(=) KD N$ (623IA6[&RIBPO6T-$ *AB C$ -&/0\a2X5IB C533&2OI2B
5BS +OP.2BO6ILDOI2B O2OHAaIA3ARO6IR5BS bIA2A3ARO6IRb62YA6OIAP2Q
,A5S EI6R2B5OA(IO5B5OANI3XP(V)\G?7709:81$ $%%#$ >:!$"'
# ""9 7# ";>\
(>) KD N$ C23Q*'$ @2PHIXD65($ -&/0\9'(*--#+%D1(B&:-##&: $%4
&-'%/&+(%/03867(1+)6 (% I0-*&'-&1(.)\&A3L2D6BA' 'DPO653I5$
$%%$' ">9\
(:) .HAB / a$ GS5T5]DX56`*$ ?5P]AT.V$ -&/0\)3ARO6IR53
b62YA6OIAPU&5JIX5IB OHANI3XP2QOHA,A5S EI6R2B5OA[,A5S (IO5B5OA
-23IS -23DOI2B -TPOAX(V)\?7709:81>-&&$ #::<$ 9=!$""' " ;##
7" ;#"\
(#%) C23Q*'$ (623IA6&RIBPO6T-\(AXYA65OD6AaAYABSABRA2QbIA[
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强韧高温超导纳米线!!!铁基超导晶须研制成功
高温超导纳米线承受应力的样子
日本材料科学研究所!0+&-"和东京工业大学以山浦一成博士等为首的研
究小组$ 成功研制出强韧高温超导纳米线,,,铁基超导晶须&
日本开发的铁基超导体$ 基本元素是铁和砷$ 在添加 $ 种或 $ 种以上其它
附加元素之后$ 其超导转变温度已知达到最高& 在晶须制造方法中$ 一般采用
气相反应沉积法$ 即原料元素的蒸发% 反应气体的输送和基体上的沉积& 然
而$ 用这种方法制备具有大的长度c直径比的铁基超导晶须时$ 由于砷元素在
晶体生长装置里的广泛扩散$ 毒性问题很难解决& 此外$ 铁基超导体的超导性
能对晶体组成很敏感$ 例如$ 超导转变温度为 "% ! 7$;" w"以上的铁基超导
体$ 通常由 ; 种以上元素组成!包括铁和砷"$ 用气相沉积法合成由 ; 种以上元
素组成!包括铁和砷"的须状晶体时$ 元素成分很难控制& 因此$ 气相沉积法
的铁基超导晶须到目前还没有制造出来&
在本研究中$ 毒性问题容易解决$ 超导转变温度达到 "% `以上$ 提供有助于工业生产的制造方法& 采用金属
砷化合物和金属粉末作为原料$ 与能促进晶体生成的添加剂混合& 混合粉末充填在胶囊状金属反应容器里$ 经适当
机械压制后粉坯有最合适的密度$ 再经合适的热处理得到所希望的铁基超导晶须& 现已确认$ 这种晶须的超导转变
温度为 "" ! 7$;% w"$ 其形状为细长棒针状$ 长度c直径比在 $%% 以上$ 直径在 #
#
X以下!纳米线"$ 具有
-6EB-L
$
型晶体结构&
对于铜氧化物超导体$ 虽能制造出具有相同超导转变温度的晶须$ 但由于陶瓷的固有脆性$ 其应用受到限制&
富勒烯超导晶须也能制造出来$ 但长度c直径比在 #% 以下& 铁基超导晶须与此形成对照$ 其性质更接近于合金$ 强
而韧$ 不像铜氧化物超导体那样脆$ 长度c直径比更大$ 可扩大应用范围&
本课题为日本科技总局-新超导材料及其性能探索和超导线材工业应用.计划的一部分&
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