新型非接触电场调控金属氧化物晶体结构的机理研究

Metal oxide is an important component in the field of structural ceramics and functional ceramics, which are related to people's livelihood and national defense. However, the large electronegativity difference of ions makes it a difficult problem to regulate the crystal structure of metal oxides. At present, the contact electric field regulation method has become a research hotspot, because of its high efficiency and controllable characteristics. In view of the problem, that its application is limited by material shape and other factors, and the regulation mechanism is also controversial, this project innovatively proposes to carry out the research on the non-contact electric field to regulate the crystal structure of metal oxide. Metastable anatase TiO2 will be selected as the research object, and the influence of non-contact electric field on the migration and distribution of TiO2 ions will be studied from the theoretical and experimental perspectives. And it will obtain the crystal structure transformation model under the action of non-contact electric field and study its universality..The research of this project is expected to make the crystal structure regulated by electric field no longer subject to the shape of metal oxides and other factors. It is expected to explore the mechanism of non-contact electric field regulating crystal structure, which is the development and innovation of the basic theory of electric field regulating crystal structure.

金属氧化物是关系民生和国防的结构陶瓷和功能陶瓷领域的重要组成部分，调控金属氧化物的多种晶体结构，可以改善其特质，满足多种应用需求。然而，金属氧化物中离子较大的电负性差异，使得调控金属氧化物晶体结构成为了一个科学难题。目前，接触电场调控方法以其高效、可控的特点，成为了研究热点。针对其应用受制于材料形状等因素，而且调控机理也众说纷纭的问题，本项目创新性的提出开展非接触电场调控金属氧化物晶体结构的研究。选取亚稳态的锐钛矿型TiO2为研究对象，从理论和实验角度研究非接触电场作用对TiO2离子的迁移和排布的影响，获得非接触电场作用下晶体结构转化的模型，并对其普适性进行研究。.本项目研究有望使得电场调控晶体结构不再受制于金属氧化物的形状等因素，是对调控晶体结构方法的丰富与完善；有望探明非接触电场调控晶体结构的机理，是对电场调控晶体结构的基础理论的发展与创新。

金属氧化物是结构陶瓷和功能陶瓷领域的重要组成部分，调控金属氧化物的多种晶体结构，可以改善其特质，满足多种应用需求。然而，金属氧化物中离子较大的电负性差异，使得调控金属氧化物晶体结构成为了一个科学难题。.本项目系统研究了接触电场对二元金属氧化物（以TiO2为主）晶体结构的影响，并结合实验指出接触电场可使TiO2中产生一定浓度氧空位；系统研究了电场强度等因素对TiO2中氧空位产生和浓度的影响，以及对材料电子结构的影响；以CeO2、WO3和SnO2为研究对象，系统开展了接触电场对金属氧化物晶体结构影响的普适性研究，表明该方法具有普适性。以晶体结构缺陷和金属氧化物TiO2为研究对象，证明了氧空位的存在对其相稳定性和组成产生的影响；结合模拟计算，阐明了氧空位使得TiO2的结合能降低，从而使得其易发生相变。采用自制的非接触电场退火设备，通过XRD、Raman、UV-Vis和XPS等光谱表征等手段，研究了非接触电场对二元金属氧化物（以VO2、CeO2和ZrO2为主）晶体结构的影响，证明了非接触电场可以引起金属氧化物的相变、产生氧空位，并引起电子结构的变化。.因此，本项目通过研究电场（接触与非接触）对金属氧化物晶体结构缺陷和电子结构的影响，探明了外电场（接触和非接触）辅助处理过程中，可在金属氧化物中引入一定浓度的氧空位，并引起电子结构的改变。同时，厘清了非接触电场调控金属氧化物晶体结构的机理，为后续开发研究应用起到很好的铺垫作用。通过本项目的研究，为缺陷工程改善材料性能带来了新的可能性，这项工作在许多研究领域都具有普遍的意义。