氧空位有序诱导的新奇介电现象研究

Oxygen-vacancy ordering, as one of the important forms of charge-ordering, not only leads to exotic dielectric phenomena like abnormal dielectric relaxation and relaxor behavior, but also creates a lots of open scientific questions, such as, what is the physics of the co-relationship between these dielectric phenomena and the oxygen-vacancy ordering? How to control the oxygen-vacancy ordering? To answer these questions, the project will be based on our previous research work and start from the exotic dielectric phenomena. Comprehensive utilization the techniques of the dielectric spectra, Raman spectra, dc conductivity, environmental scanning probe microscope measurements, DSC and TSDC measurements, high-temperature synchrotron Laue x-ray diffraction measurements, and in conjunction with first-principle calculations, the project aims at the following objectives: ..1) obtaining the information of formation and evolution for oxygen vacancies at high temperatures，understanding the high-temperature transport behavior of oxygen vacancies in oxides, and finally establishing physical model to describe these phenomena;..2) clearly understood the physical nature of the co-relationship between these dielectric phenomena and the oxygen-vacancy ordering...3) controlling and adjusting the oxygen-vacancy ordering in terms of external factors (such as electric field, temperature, and thermal treatments); and ..4) explore new physical effects associated with the oxygen-vacancy ordering...The achievements of this project will greatly expand the knowledge of dielectric physics, contribute to exploring new dielectric functional materials.

作为一种重要的电荷有序现象，氧空位有序诱导的反常介电弛豫和弛豫铁电行为等新奇介电现象，带来了诸如，氧空位有序与这些介电现象是如何关联的？如何调控氧空位有序？等一系列重要的科学问题。为回答这些科学问题，本项立足已有的研究基础，选择这两种介电现象作为切入点，综合利用介电谱、Raman谱、直流电导谱、环境扫描探针显微镜测量、DSC测量、TSDC测量、高温同步辐射劳厄衍射等技术手段，并结合理论计算，力图获得氧化物材料中氧空位在高温下的形成和演化信息，深化对氧空位高温迁移行为的理解，建立相关的物性理论；弄清氧空位有序与这些新奇介电现象之间关联的物理本质；掌握氧空位有序随外部因素（电场、温度、热处理等）变化的规律，利用这些因素来调控氧空位有序以调控这两种介电现象；同时，积极探索与氧空位有序相关的其他物理效应。本项目的成功实施，有望极大地丰富电介质物理，为探索新的介电功能材料奠定基础和提供理论指

本项目以氧空位为切入点，以介电手段为主要研究方法，辅以其他性能表征和结构分析方法，对氧空位是如何响应氧化物材料性能的？如何通过调控氧空位来调控材料的性能？等科学问题进行了深入研究。研究结果发现氧空位可以分为两类：材料表面氧空位和体内氧空位。表面氧空位易于与周围环境相互作用，以个体的行为方式影响与材料表面密切相关的催化、敏感等性能；体内氧空位在一定的浓度和温度范围内，氧空位之间会发生相互作用，形成一维有序结构，即发生相分离，以集体的行为方式响应材料性能。这种相分离是一种弱的一级相变，不仅能引起材料在介电性能方面有反常响应，而且一维有序结构的形成对材料的电学性能，尤其是阻变性能有显著影响。.基于对氧空位影响材料性能之机理的认识，项目通过调控调控氧空位浓度、结构、状态等，即“缺陷工程”，来调控材料性能。主要有以下几个方面：（1）利用缺陷工程增强了（反）铁电材料的压电光催化性能；（2）利用缺陷工程有效地提升了电介质材料的储能效能；（3）利用缺陷工程获得了效能优良的湿敏传感器；（4）利用缺陷工程成功调控铁电材料的电卡性能。.项目工作有力地促进了国际科研合作，提高了研究生培养质量。项目主持人荣获2021年安徽省教学成果二等奖，2021年度安徽大学最高教师荣誉奖“李世雄奖”。