中國粉體網訊 鐵電鈣鈦礦具有獨特的自發極化和疇翻轉性等，是非常重要的鐵電體。而缺陷調控是對鐵電鈣鈦礦進行性能優化的有力手段。在鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鉍鈉等材料中，對于氧空位和A位缺陷的研究已相對成熟。近些年，環境友好且綜合性能優異的鈮酸鉀鈉（KNN）壓電陶瓷逐漸占據壓電市場。然而對于KNN的A位缺陷研究尚屬空白，一方面，純KNN難以制備，定量調控A位缺陷制備KNN難度更高；另一方面，學界尚缺乏對堿金屬空位缺陷的定量表征手段和分析方法。
近日，清華大學材料學院對KNN材料的缺陷化學環境進行理論分析，得出了A位缺陷濃度、氧空位濃度、電子濃度和空穴濃度在不同氧分壓區間和氧分壓的關系，并根據該關系提出了比較兩種鈣鈦礦A位缺陷濃度的測試分析方法。結果表明，在同一氧分壓區間內對兩種鈣鈦礦進行電導率測試，電導率-氧分壓斜率越陡峭代表材料中A位缺陷濃度越低（圖1）。將此方法應用于KNN中，對KNN和A位過量的KNN（KNN-Na）進行電導率比較，可以發現KNN-Na的電導率斜率較KNN陡峭，KNN-Na中A位缺陷較低。這與實驗設計和ICP測試結果一致。
圖1.本文提出的A2O型缺陷化學Brouwer示意圖及其缺陷分析應用方法
進一步比較兩種A位缺陷濃度不同的KNN陶瓷可以發現，KNN-Na中存在介電異常行為，即在O-T相變溫度后存在一處明顯的介電常數峰。該異常行為受到頻率的顯著影響，異常行為主要發生在低頻，該頻率范圍對應界面極化響應。對阻抗數據的分析和計算顯示，在KNN-Na中界面極化響應比較明顯（圖2）。顯然，這種界面極化是由于缺陷環境變化所導致的。該研究為今后鈣鈦礦及其他氧化物材料的缺陷分析提供了新思路。
圖2.缺陷調控下的無鉛壓電陶瓷KNN異常介電行為及產生機理
近日，相關成果以“利用缺陷調控識別非化學計量比無鉛鈣鈦礦中的界面極化”（Identifying the Interfacial Polarization in Non-stoichiometric Lead-Free Perovskites by Defect Engineering）為題發表在國際知名期刊《應用化學》（Angewandte Chemie）上。
清華大學材料學院2020級博士生徐澤為文章的第一作者。清華大學王軻研究員、德國達姆施塔特工業大學提爾·弗洛姆林（Till Frömling）博士、美國伊利諾伊理工大學王衡助理教授為文章的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學李敬鋒教授、唐子龍教授、張中太教授、岳振星教授等。本研究得到了國家自然基金委科學中心、重點項目，國家重點研發計劃、北京市自然科學基金等的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202216776
（中國粉體網編輯整理/山川）
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