氢调控铁电陶瓷性能规律及机理研究

一般研究认为，氢进入铁电材料如能使其铁电性能劣化，饱和极化强度和剩余极化强度降低，并能使其从绝缘体变为半导体。但我们PZNT单晶和PZT铁电陶瓷的研究表明，高氢浓度是与报道的结果相同，低氢浓度时饱和极化强度、剩余极化强度以及压电系数D33增大，从而起到改善铁电性能的作用。到目前为止，尚未见到类似报道。我们将从氢对铁电材料的畴变、偶极矩、点阵常数等方面研究这一新现象的机理。主要利用AFM、光学显微镜研究氢对PZNT、PZT和BaTiO3等铁电材料畴变的影响，利用X衍射和中子衍射研究氢对其点阵结构和偶极矩的影响；利用第一性原理模拟氢对畴变、偶极矩以及铁电性能的影响。通过这些研究，弄清氢改善铁电性能的机理。

本课题利用过扫描探针显微技术和第一性原理计算对钛酸钡单晶不同外场作用下的表面吸附、畴界以及畴转行为进行研究。本文所获得的创新性成果如下：.水分子与BaTiO3(001)表面有强交互作用，在高湿度下水分子在晶体表面聚集成水滴，a畴表面水滴在电场作用下会整体体积逐渐变小，而c畴表面的水滴在发生了一定的体积收缩之后，随着外加电场的增大表现出越来越平铺在表面上，即外场能改变其润湿性。在湿空气中由于a畴和c畴面的表面能的差异，导致极性的水分子更倾向于吸附在极性的c畴表面来降低c畴多余的表面能，使水分子在c畴表面上择优吸附。对表面电性能有较大影响，随着吸附的增多，a畴和c畴间的电势差逐渐降低。.温度的突变引起铁电畴界面电势的变化。升高温度会导致a-c畴表面电势差增大，增大的电势随时间衰减。同一环境湿度下，温度差越大，电势变化越大，湿度越大升温诱导的a-c畴电势差越大。湿度和温度对电势的影响有耦合作用。在发生降温变化的时候在a-c畴壁处，c-c畴壁处会出现一个明显的电势突变区，而对于a-b畴结构来说并没有电势变化发生，这是电荷在表面的迁移和在畴壁处的聚集所致。.垂直电场作用下，BaTiO3单晶c+畴和c-畴电势发生反转，在电势反转的过程中，表面形貌并没有发生任何变化，临界垂直电场强度为6 V/mm。电势反转的临界电场强度随环境湿度增大而增大直至饱和。这种电势反转现象可能与铁电体表面的极化束缚态和屏蔽态电荷的作用有关。在垂直电场作用下进行接触扫描的PFM实验，在c畴区会发生c+到c-的畴转。且这种畴转行为只发生在针尖扫描区域，在周围未扫描的区域，畴结构并未发生变化。畴转的速率随着垂直电场的增大而增大，电场越大畴壁移动的速率越快。.第一性原理计算表明BaTiO3单晶的180°畴转由两个90°畴转完成，180°畴转需克服的势垒比90°高4.5倍，很好地解释了以前实验上观察到的结果。计算也表明H2O分子可以促进畴转，吸附H2O分子后第一性原理计算的TDS和XPS两者具有很好的对应关系。H2O分子在不同覆盖度下Ba-O面和Ti-O面的差分电荷密度表明H2O分子吸附后会导致Ti原子的45o偏转，即H2O分子吸附促进铁电畴转。