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自上世紀20年代KDP（KH₂PO₄）被發(fā)現(xiàn)以來，鐵電材料持續(xù)在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，并在諸如陶瓷電容器、儲能器件、微波器件、超聲傳感器等領(lǐng)域引發(fā)了大量的研究與應(yīng)用。鐵電材料中最具代表性的便是鈦酸鋇（BaTiO₃）陶瓷，作為一種典型的高介電材料，BaTiO₃被譽為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”，廣泛應(yīng)用于多層共燒電容器（MLCC）中。然而，隨著電子元器件尺寸的進一步減小，由于傳統(tǒng)BaTiO₃體系高頻下介電損耗較大及其固有的核殼尺寸效應(yīng)，亟需研發(fā)新型高介低損的介質(zhì)陶瓷體系。

通過引入有序化學組分誘導出極性微區(qū)，可以將傳統(tǒng)鐵電材料改性為弛豫鐵電材料。由于其獨特的納米微疇結(jié)構(gòu)，弛豫鐵電材料一般具有較高介電常數(shù)及較低的介電損耗，在不同領(lǐng)域呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。迄今為止，主流的弛豫鐵電材料均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中無鉛環(huán)保的BaTiO₃基弛豫鐵電材料雖然具有較高的電場誘導極化和較低的剩余極化，但受限于其高介電損耗等缺點，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中存在較大的限制。

圖一  非鈣鈦礦構(gòu)型的弛豫鐵電材料Bi₆Ti₅WO₂₂的性能-結(jié)構(gòu)-模擬計算示意圖

歷時四年，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授團隊通過非化學計量配比調(diào)節(jié)及等靜壓成型工藝，制備出具備高介電常數(shù)（ε_r~ 2200，與室溫下BaTiO₃的介電常數(shù)相當），低介電損耗（tanδ ~ 10^-3，比傳統(tǒng)BaTiO₃低一個數(shù)量級，見圖一、圖二）的單相致密Bi₆Ti₅WO₂₂陶瓷，室溫下其介電可調(diào)率為40%，優(yōu)值因子高達240（遠高于(Ba,Sr)TiO₃體系）。進一步通過原位高分辨率透射電子顯微鏡成功觀測到Bi₆Ti₅WO₂₂陶瓷中的孿晶效應(yīng)與極性微區(qū)和微應(yīng)變，結(jié)合不同溫度下的中子粉末衍射精修結(jié)果和第一性原理密度泛函計算，首次驗證該組分為非鈣鈦礦構(gòu)型的弛豫鐵電材料。并進一步解析了該組分的準確晶格結(jié)構(gòu)，解釋了其高介電常數(shù)的來源與低損耗的成因。該工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種全新的弛豫鐵電材料，為制備高容量電容器、微波可調(diào)器件提供了一種理想材料，并從其結(jié)構(gòu)角度出發(fā)對介電性能進行了較為全面的表征與理論分析，為后續(xù)研發(fā)新型高介低損弛豫鐵電材料提供了思路。

圖二 a為材料的電滯回線  b,c分別展示材料的介電常數(shù)與損耗隨頻率和溫度的變化 d為遠紅外光譜分析與THz頻段的介電表征  e顯示了材料所具備的介電可調(diào)特性  f材料介電可調(diào)優(yōu)值與其它常見介電可調(diào)材料對比

近日，該研究結(jié)果以“非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電體中的超低損耗和高介電可調(diào)性”（Ultralow loss and high tunability in a non-perovskite relaxor ferroelectric）為題，在國際知名期刊《先進功能材料（Advanced Functional Materials) 在線發(fā)表。 西安交大電信學部電子科學與工程學院博士生李睿韜和青年教師徐諦明為論文共同第一作者，電信學部電子科學與工程學院周迪教授為論文通訊作者。該工作中的第一性原理計算模擬由西安交大前沿院緱高陽研究員課題組完成。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210709

參考資料：http://news.xjtu.edu.cn/info/1004/190401.htm