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日本东北大等成功控制物质的电极化强度,并实现铁弹性和负热膨胀

2019年03月08日 电子电气
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钒酸铅拥有与钛酸铅相似的晶体结构,但结构变形严重,纵横比(c/a比)为1.23,其电极化强度达到101μC/cm2,因此预计钒酸铅的性能要高于钛酸铅。不过,由于结构变形过于严重,很难发生结构变化,此前一直未在钒酸铅中发现电极化随着电场反转的特性,即铁电性,也未发现随着升温向顺电相转移的负热膨胀特性。

日本东北大等成功控制物质的电极化强度,并实现铁弹性和负热膨胀

图1:PbVO3的晶体结构。阳离子Pb2+和V4+与阴离子O2-的重心不一致,因此具有电极化。

日本的东北大学、东京工业大学及神奈川县立产业技术综合研究所组成的研发小组,利用铬(Cr)置换了钒酸铅(PbVO3)的一部分,成功控制了电极化强度。

研发小组在大型同步辐射设施SPring-8中利用光束线BL02B2进行同步辐射X线衍射实验,解析了物质的精密结构,确认电极化强度可以控制在53μC/cm2,而且能通过应力改变结构变形的方向,并产生铁弹性,同时还伴随6.6%(超过钛酸铅的1%)的体积收缩,产生负热膨胀(也就是加热收缩)。

日本东北大等成功控制物质的电极化强度,并实现铁弹性和负热膨胀

图2:铁弹性概念图。可以通过应力改变极化方向。

日本东北大等成功控制物质的电极化强度,并实现铁弹性和负热膨胀

图3:PbV0.85Cr0.15O3的单位晶格体积的温度变化。在450K至600K之间发生6.6%的收缩。

此次的成果有助于开发新的功能性材料,相关论文已于1月17日发表在美国化学学会期刊《材料化学》(Chemistry of Materials)的网络版上。

用语解说

1 电极化:物质中的阳离子与阴离子的重心偏移而产生的电荷偏差。是衡量电容器蓄电能力的指标。

2 铁弹性:晶体的极化方向随着加载应力而变化的性质。

3 负热膨胀:正常情况下,物质遇热后体积和长度会增加,称为正热膨胀。但部分物质具有遇热后具有收缩的负热膨胀性质,这对开发零热膨胀材料非常重要。

文 JST客观日本编辑部

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