鐵電金屬的知識

材料的鐵電性起源于非中心對稱性材料中應力和靜電相互作用所共同導致的正負電荷不重合。這種正負電荷的不重合產生的電偶極矩一致排列，對外就顯示處了材料的宏觀電極化。而金屬性導電材料所*的特點是擁有大量自由移動電荷，這種自由移動電荷會屏蔽一切內部的電荷不平衡，使材料中心對稱化。因此，從原理上講，金屬性和鐵電性是不可能共存于同一種材料中的。然而，早 在 1965 年，Anderson 和 Blount 就預言了一種名為“鐵電金屬”的材料。由于長時間缺乏實驗數據的支撐，這類預言中的材料一直沒有引起人們的廣泛重視。近，Youguo Shi 等人利用中子衍射和聚焦電子束衍射技術，在金屬導電性的LiOsO3 材料中觀測到了非中心對稱相變。150 K 溫度下 LiOsO3 由中心對稱 R-3c 結構連續相變到傳統鐵電材料中存在的非中心對稱的 R3c 結構。這一結果重新引起了人們對非中心對稱金屬的重視。LiOsO3 材料物理機理的研究，以及非中心對稱金屬的預測今年來也成為熱電研究領域。圖 1.16 中是 LiOsO3 材料結構參數隨著溫度的變化圖。可以看到，在 150 K 的時候存在一個明顯的結構相變。

為了實現“鐵電金屬”的性質，除了通過找到一種金屬材料并使其具有非中心對稱結構以外，還可以尋找一種傳統鐵電絕緣材料，在保證其鐵電極化不被淹沒的前題下進行載流子的摻雜。[121-123] 傳統的鈣鈦礦型鐵電材料 BaTiO3（BTO）被作為摻雜對象進行研究。[123-125] 通過缺氧退火以及生長過程條件控制，在 BTO 中引入氧空位，從而成功的達到電子摻雜，甚至實現了絕緣-金屬的導電性轉變。 然而大多數報道表明，在摻雜到一定濃度后，BTO 中的極化畸變會消失，從而鐵電性不再存在。近還有人利用認為構造 SmTiO3/BTO 的方式，純靜電摻雜載流子到 BTO 中，實現了自由載流子和鐵電極化的共存。[126] 近 Xu He等人有提出了鐵電鐵電金屬候選對象 PbTiO3（PTO），他們理論計算發現在鐵電材料 PTO 中進行電子摻雜的過程中，鐵電極化不但不會消失，反而有可能增強。[127] 圖 1.17 中是不同的后退火溫度下 BTO 的電阻率隨著溫度的變化情況。后退火溫度越高，BTO 材料內部氧空位越多，響應的電阻率越低。可以看出，1100 ℃的后退火溫度下，BTO 樣品的電阻率隨著溫度的升高而升高，呈現出金屬導電性。