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自上世紀(jì)20年代KDP（KH2PO4）被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，鐵電材料持續(xù)在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，并在諸如陶瓷電容器、儲(chǔ)能器件、微波器件、超聲傳感器等領(lǐng)域引發(fā)了大量的研究與應(yīng)用。鐵電材料中最具代表性的便是鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷，作為一種典型的高介電材料，BaTiO3被譽(yù)為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”，廣泛應(yīng)用于多層共燒電容器（MLCC）中。然而，隨著電子元器件尺寸的進(jìn)一步減小，由于傳統(tǒng)BaTiO3體系高頻下介電損耗較大及其固有的核殼尺寸效應(yīng)，亟需研發(fā)新型高介低損的介質(zhì)陶瓷體系。
通過(guò)引入有序化學(xué)組分誘導(dǎo)出極性微區(qū)，可以將傳統(tǒng)鐵電材料改性為弛豫鐵電材料。由于其獨(dú)特的納米微疇結(jié)構(gòu)，弛豫鐵電材料一般具有較高介電常數(shù)及較低的介電損耗，在不同領(lǐng)域呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。迄今為止，主流的弛豫鐵電材料均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中無(wú)鉛環(huán)保的BaTiO3基弛豫鐵電材料雖然具有較高的電場(chǎng)誘導(dǎo)極化和較低的剩余極化，但受限于其高介電損耗等缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中存在較大的限制。
圖一 非鈣鈦礦構(gòu)型的弛豫鐵電材料Bi6Ti5WO22的性能-結(jié)構(gòu)-模擬計(jì)算示意圖
歷時(shí)四年，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)非化學(xué)計(jì)量配比調(diào)節(jié)及等靜壓成型工藝，制備出具備高介電常數(shù)（εr~ 2200，與室溫下BaTiO3的介電常數(shù)相當(dāng)），低介電損耗（tanδ ~ 10-3，比傳統(tǒng)BaTiO3低一個(gè)數(shù)量級(jí)，見(jiàn)圖一、圖二）的單相致密Bi6Ti5WO22陶瓷，室溫下其介電可調(diào)率為40%，優(yōu)值因子高達(dá)240（遠(yuǎn)高于(Ba,Sr)TiO3體系）。進(jìn)一步通過(guò)原位高分辨率透射電子顯微鏡成功觀(guān)測(cè)到Bi6Ti5WO22陶瓷中的孿晶效應(yīng)與極性微區(qū)和微應(yīng)變，結(jié)合不同溫度下的中子粉末衍射精修結(jié)果和第一性原理密度泛函計(jì)算，首次驗(yàn)證該組分為非鈣鈦礦構(gòu)型的弛豫鐵電材料。并進(jìn)一步解析了該組分的準(zhǔn)確晶格結(jié)構(gòu)，解釋了其高介電常數(shù)的來(lái)源與低損耗的成因。該工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種全新的弛豫鐵電材料，為制備高容量電容器、微波可調(diào)器件提供了一種理想材料，并從其結(jié)構(gòu)角度出發(fā)對(duì)介電性能進(jìn)行了較為全面的表征與理論分析，為后續(xù)研發(fā)新型高介低損弛豫鐵電材料提供了思路。
圖二 a為材料的電滯回線(xiàn) b,c分別展示材料的介電常數(shù)與損耗隨頻率和溫度的變化 d為遠(yuǎn)紅外光譜分析與THz頻段的介電表征 e顯示了材料所具備的介電可調(diào)特性 f材料介電可調(diào)優(yōu)值與其它常見(jiàn)介電可調(diào)材料對(duì)比
近日，該研究結(jié)果以“非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電體中的超低損耗和高介電可調(diào)性”（Ultralow loss and high tunability in a non-perovskite relaxor ferroelectric）為題，在國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料（Advanced Functional Materials) 在線(xiàn)發(fā)表。 西安交大電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生李睿韜和青年教師徐諦明為論文共同第一作者，電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授為論文通訊作者。該工作中的第一性原理計(jì)算模擬由西安交大前沿院緱高陽(yáng)研究員課題組完成。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210709
參考資料：http://news.xjtu.edu.cn/info/1004/190401.htm
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