基于声表面波(Surface acoustic wave, SAW)技术的无线无源器件是在极端条件下工作的首选传感器, 其中压电衬底在高温环境下的稳定性是影响SAW器件性能的关键因素。钽酸镓镧(LGT)晶体因电阻率高和稳定性好, 是SAW器件理想的高温压电衬底。为了全面评估LGT晶体的高温电阻率和材料系数稳定性, 本工作分别测试了纯LGT和掺铝钽酸镓镧(LGAT)晶体在氧气、氮气和氩气气氛中的高温电阻率, 并采用超声谐振谱(Resonant ultrasound spectroscopy, RUS)技术定征了纯LGT晶体高温全矩阵材料系数。电阻率测试结果显示, 在不同气氛下LGT晶体的高温导电行为明显不同, 纯LGT晶体在400~525 ℃范围内, 氮气中的电阻率最高; 在525~700 ℃范围内, 氩气中的电阻率最高, 700 ℃电阻率高达2.05×10⁶ Ω·cm; 而对于LGAT晶体, 在整个测试温度区间氮气中的电阻率均最高, 700 ℃电阻率达1.12×10⁶ Ω·cm, 略低于纯LGT晶体。高温全矩阵材料系数测试结果显示, 室温~400 ℃范围内, LGT晶体的电弹性能稳定, 随着温度升高, 弹性系数略有降低, 而压电系数d₁₁几乎保持不变。以上结果表明, LGT晶体在高温下具有非常高的电阻率和材料稳定性, 适合作为压电衬底用于制备高温压电器件。本工作的研究结果为LGT基高温压电器件的设计与制备奠定了基础。

BiFeO₃-BaTiO₃(BF-BT)陶瓷兼具高居里温度和优异的压电性能, 在高温压电传感器和驱动器等部件具有广泛的应用前景。BF-BT陶瓷在高温环境下电阻率较低, 易造成器件高温性能恶化甚至失效。因此, 改善BF-BT陶瓷电阻性能是应用推广必须解决的关键问题。作为一种铁酸盐, 其电阻率很难通过掺杂改性等常规方法进行改善。本研究在BF-BT陶瓷体系中发现一种电阻率异常升高的现象, 并证实这与样品中的第二相Bi₂₅FeO₄₀有关。显微结构分析表明, 该第二相具有一种特殊的层状周期性结构, 其中每三排原子构成一个周期, 而缺陷大多集中在其中一层原子当中。本研究采用传统固相法成功地制备出纯相的Bi₂₅FeO₄₀, 将其作为外添加剂加入到0.70BF-0.30BT组分中, 使基体组分在300 ℃的电阻率从1.03 MΩ·cm提高到4.33 MΩ·cm。此外, COMSOL仿真模拟的结果证实, 通过引入该第二相可以将0.67BF-0.33BT组分电阻率提高一个数量级。根据能量过滤效应, 这种特殊的结构具有高能垒, 可以阻碍载流子迁移, 从而提高BF-BT陶瓷电阻率。本工作为改善BF-BT陶瓷电阻率提供了一种切实可行的方法。

AB(O,N)₃型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料, 具有独特的介电/磁/光催化等性能, 在能源存储与转化领域应用前景广阔, 但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体, 采用无压放电等离子烧结设备一步合成了钙钛矿氮氧化物SrTa(O,N)₃陶瓷粉体, 并实现了快速致密化。深入研究了升温速率和合成温度对粉体组成与微观形貌的影响, 并对优化后制备的陶瓷块体进行了介电性能表征。结果表明, 较高的升温速率和适中的合成温度有利于氮化反应的充分进行, 在100 ℃/min和1000 ℃下制得的SrTa(O,N)₃粉体纯度最高, 氧氮化物相含量约97%, 粒径分布区间为100~300 nm, Sr、Ta、O、N 四种元素分布均匀。较优的致密化工艺为烧结温度1300 ℃、升温速率300 ℃/min、保温时间1 min, 经烧结制得的SrTa(O,N)₃陶瓷试片致密度可达94%以上, 且纯度很高, 该材料在300 Hz时的介电常数高达8349, 介电损耗为10^-4量级, 优于文献报道值。本研究制备的SrTa(O,N)₃陶瓷的高介电常数与致密度和纯度的调控密不可分, 这是因为气孔和杂质会降低材料介电常数, 高致密度和高纯度是SrTa(O,N)₃氧氮化物陶瓷获得优异介电性能的关键。

铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。

铁电超晶格是由两种或两种以上的铁电材料或非铁电材料在晶胞尺度下交替生长而形成，并具有层状周期性结构的人工薄膜材料。铁电超晶格由于其中存在大量的异质界面, 异常显著的界面效应使其具有优异的铁电、压电、介电和热释电等性能, 甚至表现出其构成材料不具备的新功能特性。铁电超晶格不仅为研究复杂氧化物材料界面电荷和晶格之间的相互作用提供了一个理想的平台, 还将在下一代集成铁电器件中发挥不可或缺的作用。随着制备和表征手段不断进步, 研究人员能够在原子尺度上设计和调控铁电超晶格的微结构和化学成分以提高铁电超晶格的功能特性。铁电极化是铁电薄膜材料最基本的性质, 除了用于信息存储, 还在调节集成铁电器件(如压电器件、光伏器件和电热器件)的能量转换性能方面也发挥着重要作用。因此, 铁电超晶格的铁电极化强度的大小直接决定了由其构成的集成铁电器件的功能特性和实际应用价值。本文首先介绍了铁电超晶格的结构特征、分类以及几种典型的功能特性, 然后结合近期的研究结果重点阐述了影响铁电超晶格极化性能的几种因素, 包括应变效应、静电耦合效应、缺陷效应和周期厚度等, 最后展望了铁电超晶格的未来研究方向, 以期为该领域的研究提供参考。

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。

与其它储能设备相比, 由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势, 如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能, 本工作基于DBM(Dielectric Breakdown Model, 介电击穿模型), 采用有限元数值模拟, 研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明: 填料与基体边界处存在较大的介电差异, 可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域, 继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时, 其树状损伤通道更容易产生分支, 此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多, 延缓其损伤速度, 继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。

PbTiO₃是一种重要的铁电功能材料, 但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确, 从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛酸铅(CP-PTO)、四方前驱体相钛酸铅(PP-PTO)结构和热物性质。研究发现, 三种结构可压缩性由大到小依次为PP-PTO>TP-PTO>CP-PTO。能带结构和态密度均表明PTO在研究的压力范围内未发生相变。PTO带隙随着压力增大逐渐降低, TP-PTO在20 GPa由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体, 其余两相在压力下恒为直接带隙半导体。PTO在0~30 Gpa范围力学稳定, 且具有各向异性, 其综合力学性能随着压力的增加而增强, 各向异性则是先降低后升高。通过准谐德拜近似理论研究了温度和压力对PTO德拜温度、熵、热容的影响, 结果表明德拜温度随着温度上升而下降, 随着压力增大而上升, 反映出共价键强度依次为CP-PTO>TP-PTO> PP-PTO。熵和热容随着温度上升而上升, 随着压力的增大而下降。

钛酸钡(BaTiO₃)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO₃薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO₃晶格常数相匹配的LaNiO₃作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO₃薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm^-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm^-1电场下, 漏电流密度仅为10^-5 A·cm^-2。其相对介电常数ε_r展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时ε_r为155, 当测试频率升至1 MHz, ε_r仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO₃薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。

钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)作为典型的钙钛矿型弛豫铁电体, 具有超高的场致应变, 是最有希望代替铅基体系的无铅压电体系之一。与铅基陶瓷相比, BNT基陶瓷具有驱动电压较高、迟滞较大以及温度稳定性差等劣势。为了优化无铅驱动器的应变性能, 本研究采用固相反应法制备(1-x){0.76(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.24SrTiO₃}-xNaNbO₃(BNT- ST-xNN, x=0~0.03)无铅铁电陶瓷。结果表明, 当x=0.01时, 该陶瓷在较低电场(E=4 kV/mm)下的应变值可达到0.278%, 等效压电系数d^*₃₃高达695 pm/V。此时, 陶瓷处于非遍历/遍历弛豫相界处, 电场诱导弛豫-铁电相变导致大场致应变。与x=0.01相比, x=0.02时应变值为0.249%, 略微下降, 但迟滞却降低至43%。此外, 该应变在25~100 ℃温度范围内维持稳定。本研究表明, 在BNT基陶瓷中固溶SrTiO₃和NaNbO₃组元可以提高场致应变值, 同时维持较低的驱动电场和良好的温度稳定性, 可用于压电驱动器研制。

0.96NaNbO₃-0.04CaZrO₃(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线, 但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低, 限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe₂O₃, 利用Fe ³⁺离子变价的特点, 实现NNCZ储能性能的优化。采用传统固相法制备了(0.96NaNbO₃-0.04CaZrO₃)-xFe₂O₃(简称NNCZ-xFe)反铁电储能陶瓷, 并对样品的相结构、微观形貌、电学性能和储能性能进行了表征, 重点研究了Fe₂O₃掺杂量对NNCZ陶瓷介电和储能性能的影响规律。结果表明, 样品均具有单一的钙钛矿结构, 掺杂Fe₂O₃能明显降低NNCZ陶瓷的烧结温度, 晶粒平均尺寸随着掺杂量增大先减小后增大, 掺杂量x=0.02时, 晶粒平均尺寸最小(5.04 mm), 且具有较好的储能性能。室温下, NNCZ-0.02Fe击穿强度为230 kV/cm, 击穿前的有效储能密度和储能效率分别为1.57 J/cm ³和55.74%。在125 ℃和外加电场为180 kV/cm下, NNCZ-0.02Fe的储能密度为4.53 J/cm ³。掺杂Fe₂O₃使NNCZ陶瓷的烧成温度降低, 氧空位的迁移速率下降, 抑制晶粒的长大, 同时降低了介电损耗, 使得击穿强度增加; 适量氧空位钉扎使得反铁电相向铁电相相翻转变得困难, 避免出现哑铃状双电滞回线, 从而提高储能效率。本研究结果表明NNCZ-xFe在电介质储能领域具有潜在应用价值。

钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba_0.85Ca_0.15)- (Ti_0.9Zr_0.1-xSn_x)O₃, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d₃₃=590 pC•N ^-1, k_p=52.2%, tanδ=0.016, ε ^T₃₃=5372, d ^*₃₃=734 pm•V ^-1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃, KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点, 在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K_0.5Na_0.5)NbO₃-0.175Sr_1-3x/2La_x(Sc_0.5Nb_0.5)O₃(x=0, 0.1, 0.2, 0.3)陶瓷(简称0.825KNN- 0.175SLSN), 研究La₂O₃掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明: 0.825KNN- 0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构; 随着La₂O₃掺杂量增大, 陶瓷的平均晶粒尺寸减小, 相变温度(T_m)及饱和极化强度(P_max)增大, 达到峰值后下降。在x=0.3时, 该体系陶瓷表现出优异的透明性, 在可见光波长(780 nm)及近红外波长(1200 nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%, 同时实现了310 kV/cm的击穿场强和1.85 J/cm ³的可释放能量密度。

近年来LaNiO₃(LNO)作为铁电超晶格、超导异质结和催化剂材料引起了广泛关注。本研究采用简便、低成本的高分子辅助沉积法(Polymer Assisted Deposition, PAD), 在(001)取向的SrTiO₃(STO)单晶衬底上制备了导电性能优异的LNO外延薄膜, 并对其进行各种结构和电学表征。摇摆曲线半高宽为0.38°, 表明LNO薄膜结晶度良好。高分辨XRD的φ扫描进一步证实LNO薄膜在STO衬底上异质外延生长。原位变温XRD测试进一步表征了LNO薄膜的外延生长过程。结果表明, 聚合物分解之后金属阳离子在单晶基体上有序释放并外延结晶。XPS结果表明, 采用PAD制备的LaNiO₃薄膜不存在氧空位。薄膜表面光滑, 粗糙度为0.67 nm。在10~300 K温度区间内的变温电阻率表明LNO薄膜具有良好的导电性能。上述结果表明：PAD制备的LaNiO₃薄膜具有较好的综合性能, PAD在制备外延功能薄膜材料方面具有很大的潜力。

电卡效应是指电介质材料中由于施加或去除电场导致的材料温度变化的现象, 包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪音、环境友好的制冷效应, 在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景, 在过去的几十年中吸引了科研人员广泛的研究兴趣。研究表明, 通过结合正负电卡效应, 可以显著提高电卡效应的制冷能力。与正电卡效应不同, 负电卡效应因其独特的物理起源, 调控手段极为有限。本文以负电卡效应为中心, 重点介绍反铁电材料中负电卡效应的最新研究进展, 具体内容包括以下四个部分: 首先, 从电卡效应的研究历史出发, 介绍了电卡效应的制冷原理, 介绍了一个典型的能将正、负电卡效应结合的双制冷循环; 其次, 介绍了基于Maxwell关系的负电卡效应间接测试方法, 以及几种负电卡效应直接测试方法, 并讨论了不同方法的适用条件和优缺点; 再次, 以典型的负电卡效应材料——反铁电材料为例, 着重介绍了负电卡效应的物理起源, 综述了反铁电薄膜和反铁电块体材料中的负电卡效应, 并对其它铁电材料中的负电卡效应做了简要介绍; 最后, 对负电卡效应的研究进行了总结和展望。

多铁材料在新型器件领域的应用非常广泛, 其研究已成为当今材料研究领域的热点之一。钛酸钡(BaTiO₃, BTO)在室温下具有较强的铁电性、高介电常数和电光特性等丰富的物理性能, 吸引了科研人员对其进行多铁化的研究。本工作通过固相烧结法制备BTO和BaTi_0.94(TM_1/2Nb_1/2)_0.06O₃(TM = Mn/Ni/Co)陶瓷, 系统研究了B位共掺杂对陶瓷的生长特性与电学、磁学和光学方面的影响。实验结果表明: 掺杂有效抑制了六方相的产生, 样品晶体结构由四方相向立方相转变, 不同元素离子半径的差异使得相变的程度有所不同。通过拉曼散射发现BTO基陶瓷四方相的特征峰变弱, 进一步证明了共掺杂导致四方相减少。介电温谱表明BaTi_0.94(TM_1/2Nb_1/2)_0.06O₃的居里温度(T_C)也较BTO有大幅度降低, 同时样品的铁电性虽然也明显削弱, 但是还保持有较好的铁电性, 这些都和晶体结构的相变程度密切相关。磁性测试结果表明: 在三组共掺组分中, Ni-Nb共掺杂具有最好的室温铁磁性, 铁磁性的形成机制可以通过F中心交换(F-center exchange, FCE)理论来解释。与BTO相比, BaTi_0.94(TM_1/2Nb_1/2)_0.06O₃的带隙明显减小, 这主要是因为掺杂产生杂质能级使带隙减小, 与能带理论吻合。上述结果表明: 通过B位共掺杂可以获得室温下铁电性与铁磁性共存的BTO基多铁陶瓷, 有望在多铁性功能器件中获得更广泛的应用。