钙钛矿结构铁电材料相变特性与其光电跃迁的内在联系及物理机制

Physical properties of perovskite-type ferroelectric crystal and ceramic become the pioneer research issues in condensed matter field. Especially, the phase transitions from perovskite-structure ferroelectric system are very complicated and the origins are contradictive from different results reported to date. The PMN-xPT/PIN-PMN-PT duality and ternary systems are taken as the main research objects in the project and we will further clarify the phase transitions by combining microstructure characterizations and some variable-temperature solid state spectroscopy. Firstly, the detailed phase transition can be studied by variable-temperature dielectric constant, Raman and far-infrared spectra. Then, spectral response properties for different phase structure and morphotropic phase boundary have been summarized, which are based on electronic band transitions, absorption edge, lattice vibrations and polar nano-regions with variations of temperature and composition. The intrinsic relationship between electronic band structure and respective phase/morphotropic phase boundary can be uniquely found. Moreover, we will develop some reasonable dielectric function models to explain the physical origin on the phase transition and morphotropic phase boundary. Finally, the effective method and experimental model, which can express the phase transition of perovskite-type materials by the variation trends for electronic band transitions with the temperature and composition, will be originally presented in the project.

钙钛矿结构铁电单晶和陶瓷材料体系是当前凝聚态物理研究的前沿热点。特别地，它们的相变特性十分复杂且物理起源仍然存在较大争议。本项目以PMN-xPT/PIN-PMN-PT等二元和三元钙钛矿结构为代表的铁电材料作为研究对象，创新地结合微观结构表征和多种宏观凝聚态光谱技术互补来澄清并丰富对相变规律的认识。首先通过对二元和三元钙钛矿型铁电单晶和陶瓷等体系进行变温介电、拉曼和远红外等结构研究，澄清并给出它们的精细相变规律。更进一步，在温度和组分两个空间维度下联系它们的光电跃迁、吸收特性、晶格振动以及极化纳米域等物理特性，揭示不同相结构以及准同型相界下的光学响应规律，进而建立电子能带结构与各类相结构和相变之间的内在联系。在此基础上，发展合适的介电色散模型来解释相变和准同型相界出现的物理起源，最终提出利用光电跃迁随温度和组分的变化来表征钙钛矿结构铁电材料相图的有效方法及实验依据。

钙钛矿结构铁电单晶和陶瓷材料体系是当前凝聚态物理研究的前沿热点。特别地，它们的相变特性十分复杂且物理起源仍然存在较大争议。国际上针对铁电氧化物及其异质结构体系的研究，迄今为止人们仍然停留在制备及电学特性方面等。毫无疑问，这些研究内容被极大地限定在宏观物理现象的层面上，远未触及它们的微观电子结构体系。.本项目主要利用各种先进凝聚态光谱技术如变温椭圆偏振光谱、变温荧光光谱以及变温拉曼散射光谱等，结合第一性原理计算，研究了若干钙钛矿结构及层状结构铁电氧化物体系中的光电耦合特性、晶格振动以及相变规律等，揭示了光电跃迁和声子频率，特别是带间电子跃迁，在结构变化演变过程中的畸变，进而利用该特性很好地描绘铁电氧化物的相图，发展了该创新方法的实验体系和理论依据。其次，本项目还把上述光谱探测技术延伸至其它相变相关体系，如Te基材料等。我们在上述Te基材料体系中观察到晶态到非晶态演变过程中光电跃迁行为的变化，结合声子模式的改变建立电子跃迁能量与相变规律的联系，进一步从光谱学角度揭示其相变的物理起源。此外，本项目也进一步优化了高质量透明导电氧化物薄膜的制备工艺，深入研究钙钛矿结构透明导电金属氧化物薄膜的光电耦合特性。通过分析掺杂和温度等条件对其跃迁能量、晶格振动以及电阻率等物理参数的影响规律，揭示了它们的导电机制以及激子激发等内在起源，为构建铁电/半导体异质器件奠定了基础。在本项目资助下，项目组共发表SCI收录学术论文42篇(其中PRB和APL等影响因子3.0以上论文23篇)，应邀参加国际国内学术会议15次，联合举办学术会议1次。项目负责人胡志高教授于2014年获得上海高校特聘教授(东方学者)跟踪计划以及2014年入选上海市优秀学术带头人计划等。.综上所述，本项目不仅高质量地完成了任务书中各项要求及指标，而且还延伸了项目成果至其它相关研究领域，为项目的可持续性研究提供了依据。