朝向新型有前景的钙钛矿型铁电材料：高压合成铌酸铷

日本芝浦工业大学的研究人员在铁电材料开发方面取得了突破。他们成功合成了一种新型位移型铁电材料，具有出色的介电性能。他们的成就包括成功合成了前期被认为在超过40,000大气压下难以制备的铌酸铷（RbNbO3）化合物。此外，他们还表征了相变过程中极化在宽温度范围内的变化。这一突破可以为铁电材料的新设计指南打下基础。

电容器是智能手机和计算机等电子设备中不可或缺的组件。它们由在施加电压时极化的介电材料制成。目前，钛酸钡（BaTiO₃）是最广泛使用的电容器材料。钛酸钡属于钙钛矿类材料，其中钛离子驻留在氧八面体笼中。该材料表现出位移型铁电行为，即在相变过程中离子的位移导致了材料内部产生永久偶极矩。

2024年4月1日在《达尔顿交易》杂志上发表的一项研究中，由日本芝浦工业大学的山本彩子教授领导，包括硕士生村濑公俊在内的研究人员开发出了一种具有高介电常数的位移型铁电材料。日本精细陶瓷中心的森若宏树博士及其团队进行了理论部分的研究。

研究人员利用高压方法成功地将大量的铷离子引入到钙钛矿型化合物中，从而合成了铌酸铷（RbNbO3）。这种化合物以前因其制备过程具有挑战性而闻名，但通过创新方法成功地合成了RbNbO3。RbNbO3表现出与钛酸钡相似的位移铁电特性，使其成为电容器的有希望的候选材料，对合成RbNbO3的兴趣可以追溯到20世纪70年代。然而，对其介电性能的研究仅在低温（27°C以下）下进行。这项研究揭示了晶体结构和相变在广泛温度范围内（-268至+800°C）的情况，为进一步的研究和开发铺平了道路。

“高压合成方法已经报道了多种钙钛矿型结构的材料，包括超导体和磁体。在这项研究中，我们的重点是结合铌酸盐和以其高介电性能著称的碱金属。”山本教授说。

研究人员通过烧结碳酸铷和氧化铌的混合物，在1073 K（800°C）下，然后在1173 K（900°C）的高压下进行30分钟，成功地合成非钙钛矿型的RbNbO3。在这种高压高温条件下，铷酸铌经历了从复杂的三斜晶相到密度增加26%的正交钙钛矿型结构的结构转变。

研究人员利用X射线衍射技术研究了晶体结构。他们的单晶分析发现，RbNbO3的晶体结构与钾铌酸盐（KNbO3）非常相似，并且表现出钛酸钡中观察到的类似扭曲。然而，他们发现RbNbO3中铌原子的正交性和位移超过了KNbO3，表明由于相变而产生了更高程度的介电极化。

此外，通过粉末X射线衍射，研究人员确定了在温度范围从-268°C到+800°C发生的四个不同的相变。在室温以下，RbNbO3存在于一个正交相中，这是最稳定的配置。随着温度的升高，它发生了相变：首先在220°C以上转变为四方钙钛矿相，然后在300°C以上转变为更长的四方钙钛矿相。最后，在420°C以上，它恢复到大气条件下存在的非钙钛矿相。

这些观察到的相变与第一性原理计算所做的预测非常吻合。研究人员还计算了RbNbO3不同相的介电极化。他们发现，正交相的极化为0.33 C m−2，而两种四方相的极化分别为0.4和0.6 C m−2。这些值与铌酸盐铁电材料如KNbO3（0.32 C m−2），LiNbO3（0.71 C m−2）和LiTaO3（0.50 C m−2）的介电极化相当。

“这次得到的高压相通过观察与钾铌酸盐强度相同的二次谐波生成确认了极性结构的存在，并且还得到了相对较高的介电常数。对于介电常数，预计从理论计算中，通过提高样品密度，可以获得与钾铌酸盐相等或更大的值。”山本教授说。

研究人员计划进一步实验来准确测量RbNbO3的介电常数，并展示其高极化性。高压方法的优势在于其能够稳定不存在于大气压力下的物质。使用提出的方法，更大的碱金属离子，如铯，可以被引入到钙钛矿结构中，从而得到具有理想介电性能的铁电材料。