0-3型极性半导体/铁电体复合材料中局域电场的构建及其对铁电畴和宏观性质的调控

Ferroelectric materials have wide and important applications in many fields. Based on "morphotropic phase boundary", developing a new method to optimize the electrical properties and further understanding the ferroelectric domain dynamics, etc., are very important for ferroelectrics. In this proposal, based on our research foundation, we will design and fabricate 0-3 type polar semicondoctor/ferroelectrics composite ceramics and thin films. A local electric field near the interfaces between semiconductor and ferroelectrics can be constructed by the ordered distribution of charges from semiconductor. Then, we will focus on the relationship between local field and microstructural parameters, as well as the effects of local field on phase structure, ferroelectric domains and domain switching, macroscopic electrical properties and their temperature stability. By further combining the experimental results with theoretical analysis, we hope we can probe the relationship between "design and fabrication-local electric field-phase structure, ferroelectric domains and domain switching-macroscopic electrical properties and their temperature stability". Hopefully, this proposal will not only provide a new method to optimize ferroelectric properties and thus high performance ferroelectric materials, but also is helpful for understanding the basic concepts of ferroelectrics.

铁电材料是一类重要的功能材料，在军民领域有着广泛的应用。在“准同型相界”等概念的基础上，发展优化铁电材料性质的新方法及深入理解铁电畴等相关的基础性问题，对铁电材料的进一步发展至关重要。本项目拟基于已有的工作基础，在微结构层次上设计并制备几种0-3型极性半导体/铁电体复合陶瓷和薄膜，通过半导体中的电荷在半导体/铁电体界面处有序分布而构建局域电场；通过多种先进表征手段，系统研究此局域电场与微结构的关系以及局域电场对相结构、铁电畴及畴翻转、宏观电学性质及其温度稳定性等的影响。结合理论分析，建立“材料设计及制备-局域电场-相结构、铁电畴及畴翻转-宏观电学性质及其温度稳定性”之间的关联规律；探索通过构建组元界面处的局域电场来调控复合铁电材料电学性质的方法并理解其物理机制。本项目不仅可能获得优化铁电材料电学性质的新方法，从而提供新型高性能铁电材料，还将有助于加深对铁电畴相关的一些基础问题的理解。

为了深入理解调控铁电材料的畴结构及电学性质的方法和机制，我们设计、制备、研究了几种0-3型极性半导体/铁电体复合陶瓷，通过构建局域电场和应力场，系统研究复合陶瓷的铁电畴、电学性质及其温度稳定性等。主要创新性成果包括：(1) 通过构建BNT:ZnO复合结构，可有效调控BNT系列陶瓷的畴结构和铁电、压电性质等，从而可以根据不同应用领域的不同要求，设计具体的BNT基铁电材料的成分，满足应用要求。(2) 通过构建PMN-PT:ZnO复合结构，在PMN-PT这一传统铁电材料中，有效调控了其铁电畴，提高了其居里温度和铁电压电性质，实现了新型、宽域的R-Mc, Mc-T准同型相界。这不仅加深了对PMN-PT体系的理解，还可推进该体系的器件化。(3) 基于反铁电PNZST，制备了PNZST:ZnO复合陶瓷，在反铁电PNZST中实现了室温铁电性，同时获得了在人体温度附近的高热释电性质，其热释电系数提高了2个数量级。本结果有望在高灵敏度探测器方面获得应用。(4) 拓展研究了同时具有复合结构和固溶结构的压电材料，实验发现可以实现反铁电-弛豫铁电的转变，同时该结构具有极高击穿场强，因此具有良好的介电储能性质，这一结果也为进一步发展介电储能材料提供了一种可行的思路。我们上述系统性的研究结果有助于发展高效调控铁电畴和电学性能方法、发展高性能铁电压电热释电材料，并推动其器件化。