鐵電材料的案例
我國學者發明新型納米晶鐵電材料結構
近日，西安電子科技大學在鐵電場效應晶體管研究領域取得突破性進展，發明了新型納米晶鐵電材料（Nanocrystal-Embedded-Insulator，NEI）并制備了鐵電負電容晶體管器件。
利用鐵電材料作為柵介質制備的鐵電晶體管是有望突破傳統MOSFET器件玻爾茲曼限制的新型信息器件之一，在低功耗電路和非易失存儲等方面有廣泛應用前景。2011年德國研究人員在摻雜氧化鉿（HfO2）材料中觀測到鐵電性，和傳統鐵電材料（如PZT，SBT等）相比，HfO2基鐵電和CMOS工藝完全兼容，因此HfO2基鐵電晶體管很快引起了微電子研究人員的極大關注。然而，從目前研究看，HfO2基鐵電材料尚存在以下問題：1）摻雜HfO2的本征缺陷導致鐵電材料存在不可避免的喚醒效應、印刻效應和易極化疲勞；2）實驗研究顯示HfO2基鐵電晶體管用作非易失存儲器時柵介質厚度一般為8~10 納米，而用作負電容晶體管時柵介質厚度為4納米左右，這限制了HfO2基鐵電晶體管在集成電路先進技術節點的應用。
針對上述問題，研究團隊采用先進的原子層沉積（ALD）工藝，在非晶順電介質Al2O3中嵌入少量氧化鋯（ZrO2）納米晶顆粒，實現了新型的納米晶鐵電薄膜。該材料的鐵電參數不僅可以通過改變ZrO2含量來大范圍調整，而且通過使用更致密的Al2O3和ZrO2代替HfO2，有效克服了摻雜HfO2本征缺陷引起的喚醒效應、印刻效應和極化疲勞，從而提高了器件的耐久和保持特性。此外，由于NEI介質整體為不定形（amorphous）相，可以被制備得非常薄。在對NEI進行詳細鐵電特性表征的基礎上，研究團隊還制備了3.6 納米NEI 鐵電負電容器件。
展開 湘潭大學：鐵電材料方面取得重要突破！
基于以上的想法，湘潭大學鐵電材料研究團隊與國防科技大學袁建民教授領導的團隊密切合作，發展了基于飛秒激光的鐵電疇分布表征的新方法：方位角-偏振依賴光學二次諧波探測方法。他們收集了不同樣品方位角和入射光偏振角下鐵電薄膜產生的光學二次諧波信號，并建立了相關的方位角-偏振依賴光學二次諧波模型；通過擬合測得的相關實驗數據與理論模型，確定了71°和109°疇壁的菱方相BiFeO3，及四方相BiFeO3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3和BaTiO3等鐵電薄膜復雜或簡單的疇結構，并準確獲得了該疇結構的分布情況。此項工作開發了一種優化的全光學方法，能準確得到鐵電薄膜中的鐵電疇結構及分布情況，可用來跟蹤和評估鐵電器件中鐵電疇的演變過程。此工作是鐵電研究團隊在這個方向的工作之一，還有一系列基于飛秒激光的超快探測相關工作在向前推進。
據了解，湘大鐵電材料研究團隊近一年以來還在柔性鐵電材料、新型多鐵材料等多個方向均取得了突破性進展，相關工作分別發表在Science Advances 3, e1700121 (2017) 和Nature Communications 9, 658 (2018)上。（來源：湘潭大學）
展開 鐵電材料方面的期刊有哪些？
期刊名稱：鐵電材料器件
檢索類型：SCIE，EI
審稿時間：一個月左右
期刊簡介
本刊旨在為電子工程師和物理學家以及從事集成鐵電器件研究，設計，開發，制造的工程師和化學家提供了一個國際性的跨學科論壇。
征稿范圍
主要關注鐵電材料相關的新型電子器件研究，包括獨特非易失性存儲器，熱電，壓電，光折變，抗輻射，聲學和/或介電特性與動態存儲器，邏輯和/或放大特性和小型化以及低成本的半導體ic優勢技術等。
聯系：3239114381
2D鐵電材料的層依賴鐵電極化
二維范德華鐵電材料是否具有層依賴的鐵電極化特性也備受關注。因此，探索層依賴的本征鐵電極化和極化反轉以及研究極化關聯的輸運對理解二維鐵電極化的物理機制和引導構建鐵電基器件極為重要。
在此，來自山西師范大學的薛武紅副教授和許小紅教授，報道了2H α-In2Se3具有層依賴的鐵電極化現象。與
2H α-In2Se3偶數層相比，奇數層具有較大的面內電極化且能夠實現極化反轉；由于面內和面外極化的關聯性，當面內極化被電場反轉后，面外極化也出現類似的層依賴特性。該結果豐富了二維材料家族的層依賴物理特性，為有效構建極化關聯的納米器件（如：存內運算和復雜的神經形態運算等）提供了有意義的指導。
展開 
高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能
近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所（籌）在電介質儲能材料領域獲得新進展。該研究通過對填料粒子的設計，將具有高介電常數的鈦酸鋇粒子與具有高擊穿強度、高熱導率的氮化硼納米片進行結合，形成特殊結構的復合粒子，與聚合物復合后可顯著提高復合材料的擊穿強度和介電儲能性能。相關論文以Significantly Enhanced Electrostatic Energy Storage Performance of Flexible Polymer Composites by Introducing Highly Insulating-Ferroelectric Microhybrids as Fillers（高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能）為題發表在權威刊物Advanced Energy Materials（《先進能源材料》，2018, 1803204，IF=21.875）。羅遂斌高級工程師為第一作者，于淑會研究員和孫蓉研究員為通訊作者。
圖(a) BT@BN復合顆粒的制備流程示意圖；(b) BT@BN復合顆粒TEM照片；(c) 復合材料擊穿強度。
電介質儲能技術具有異常快的能量轉換速率，同時具有工作時間長以及環境友好等特點，目前已經在現代電子電力工業如可穿戴電子、混合動力汽車、武器系統等領域得到廣泛應用。隨著電子器件向小型化和高性能化方向的發展，迫切需要具有高儲能密度的電介質材料。
為此，研究團隊將氮化硼納米片（BNNS）與鈦酸鋇（BT）納米顆粒的分散液進行混合和抽濾后，在較高溫度下處理，一定程度上熔融的BNNS將BT顆粒緊密包覆，形成復合顆粒BT@BN。
展開 美不勝收妙不可言，中國團隊用水將蘭亭序“活字印刷“上頂刊
鐵電材料具有非易失的、電場可控的電極化和表面電荷，有可能在液體環境中提供可翻轉的界面電場。因此，對液體環境中表面電荷特性的研究將有助于更好的理解和控制固-液界面結構以及所伴隨的能量轉化行為，進而實現對界面化學反應的調控。反之，其界面的化學反應能否翻轉鐵電材料的體極化呢？盡管60多年前人們就提出了鐵電極化對表面化學的影響5，但其逆過程仍然知之甚少，鐵電體與液體界面處的分子吸附/脫附、以及復雜的電荷轉移過程阻礙了人們對鐵電-液體界面化學結構和能量轉化過程的理解。因而，原位界面化學反應實現鐵電材料體極化的翻轉仍然是一大挑戰。
最近，北京師范大學張金星小組與清華大學、中科院物理所、北京理工大學和賓州州立大學合作，歷經4年多的努力，深入探索了無鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學溶劑和生命之源）的界面物理和化學行為。發現不同鐵電極化表面可以有選擇性的誘導界面化學反應和離子成鍵，幫助有效的構建了固-液界面結構。不僅如此，選擇性的表面離子鍵合能夠實現巨大的表面離子位移，進而能夠帶動鐵電材料體極化的可逆翻轉。
圖1
水溶液誘導材料體極化翻轉
及其伴隨的表面化學成鍵
圖2
酸溶液誘導材料體極化翻轉
及其伴隨的表面化學成鍵
不同于傳統的控制方法如電場、機械力等，全水溶液原位可逆翻轉鐵電極化不需要消耗化石能源，實現了電極化翻轉的綠色調控。此工作以中國書法藝術《蘭亭序》中的“水“字為例，展示了對鐵電極化大面積、低成本的”活字印刷“技術（如圖3所示）。
展開 今日Nature: 鐵電疇壁再發正刊，調制微波器件
復旦大學江安全教授點評道：
這是理論模擬與實驗結果完美結合的典范：通過薄膜與襯底的晶格匹配應力，調控鐵電居里溫度接近室溫附近，產生了大量的微疇，具有較高的疇壁密度；微疇壁的振動具有較低的能量損耗，馳豫時間接近了微波激勵頻率，對微波介電響應產生了巨大的貢獻；在直流偏壓的作用下，電疇長大，疇壁密度減小，同時馳豫時間延長，介電響應急遽下降，實現了電容的寬頻微波調制，同時Q品質因子接近100-1000。而基于傳統壓電效應的鐵電薄膜器件一般無法突破幾百MHz最高頻率的介電響應極限。作者從分子動力學角度，運用微疇壁振動模型很好地解釋了實驗結果，為未來鐵電薄膜器件在微波通信領域中應用鋪平了道路。
清華大學于浦教授也對此項工作做出點評：
鐵電材料在信息存儲、壓電效應、光電轉換、傳感等領域具有重要的應用前景。尤其是近年來絕緣鐵電疇璧處顯著增強局域電導，疇璧增強的巨大光電壓響應等一系列新奇功能特性為鐵電材料的應用和探索賦予了更多可能性。在該工作中，顧宗銓博士等人借助鐵電疇璧的增強效應完美展示了鐵電材料在微波調控領域的優越特性，為鐵電材料尤其是其疇結構的應用賦予了新的活力。
Drexel University的顧宗銓博士與Jonathan Spanier教授設計了研究工作。整個項目得到了加州大學伯克利分校Lane Martin教授，Bar-IIan大學Ilya Grinberg教授, 加州大學圣塔芭芭拉分校Robert York教授，以及賓夕法尼亞大學Peter Davies教授團隊的大力協助。
展開 研究人員發現新催化劑 可將二氧化碳轉化為燃料
（圖片來源：昆士蘭科技大學）
昆士蘭科技大學（QUT）科學材料中心的研究人員參與了一項國際研究。該研究通過理論建模確定六種金屬，包括鎳、鈮、鈀、錸、銠和鋯，在將二氧化碳轉化為可持續性清潔能源的反應中，這些金屬能夠發揮作用。
QTU副教授Liangzhi Kou表示，這項研究利用澳大利亞國立大學（Australian National University）的國家計算基礎設施進行實驗建模，以觀察單個金屬原子如何與二維“鐵電”材料發生反應。
鐵電材料的一面帶正電荷，另一面帶負電荷。當施加電壓時，這種極化狀態可以逆轉。在理論模型中，研究人員發現在鐵電材料中添加催化劑金屬原子，可將溫室氣體轉化為所需的化學燃料。一旦極性發生逆轉，這種狀態就會被保留下來，作為二氧化碳轉化的催化劑。
研究人員表示，十年前，就有人提出利用單原子催化劑來減少二氧化碳。這項研究極大地推動了這一領域的發展。“我們設計了一種特殊的化學催化劑，可以將溫室氣體CO2轉化為所需的化學燃料。同時，通過可行性方法，可以控制轉換效率。這意味著我們首次擁有加速或延緩反應的能力，甚至結束化學反應。”
這項研究為設計新型催化劑提供了指導，或將對化學產業產生深遠的影響。該研究領域的長期目標是，找到將CO2轉變為清潔能源的方法。通過這項研究，最終可能產生一種在發動機或工業系統中添加涂層的方法。這種涂層能夠轉化二氧化碳，而不是向大氣中排放更多的氣體。“CO2能引發溫室效應，是導致全球變暖的主要原因。將其轉變為化學燃料，不僅對環境有益，而且有助于解決能源危機。”
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展開 『水系鋅電』中南大學潘安強/常智教授團隊Small：Maxwell極化電場優化鋅離子傳輸行為和溶劑化結構助力高性能水系鋅離子電池
基于此，中南大學潘安強/常智教授團隊發現由無機鐵電材料誘發的Maxwell–Wagner極化電場，可一方面引導鋅離子進行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結構中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協同作用，鋅負極在Maxwell–Wagner極化電場的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現出1400 h的循環壽命和99.9%的高庫侖效率。水NH4V4O10||Zn在2000個循環中容量保持132 mA h g-1。組裝的軟包電池性能優越，在嚴苛的條件下，可以穩定循環超150圈，無明顯產氣和漏液現象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國際著名期刊Small上發表。本文第一作者為周雙博士，通訊作者為潘安強教授，常智教授，通訊單位為中南大學。
研究亮點
? 由鐵電材料(鈦酸鋇，鈦酸鍶鋇)誘導的極化電場可實現在優化鋅離子傳輸行為的同時去除鋅離子溶劑鞘結構中的水分子，抑制鋅金屬負極的枝晶和腐蝕。
展開 鐵電領域再度取得重大突破！
2015年，金屬所馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等通過PbTiO3/SrTiO3鐵電多層膜的設計實施應變調控，發現鐵電材料中的通量全閉合疇結構并成功制備出由順時針和逆時針閉合結構交替排列所構成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。該項工作發表后迅速激發了國際上關于新型鐵電極化拓撲結構及性能研究的熱潮。在上述工作的基礎上，2016年加州大學伯克利分校及勞倫斯伯克利國家實驗室制備并利用同樣的電子顯微學方法，在相同成分、不同應變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發現了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)。目前，其它可能的新型電極化拓撲結構及其潛在誘導新性能已成為低維氧化物功能材料領域的研究熱點，國際上許多相關的課題組正在對其展開全方位探索研究。
唐云龍博士在2017年2月至2019年4月訪問伯克利期間，作為主要實驗設計者和完成人員之一，在前述工作基礎上，與加州大學伯克利分校的R. Ramesh教授課題組、加州大學伯克利分校L. Martin教授、賓州州立大學陳龍慶教授以及西班牙坎塔布里亞大學J. Junquera教授等課題組深入合作，在鐵電材料極化拓撲結構研究中再度取得重大突破：他們在PbTiO3/SrTiO3超晶格中發現了室溫穩定存在的電極化斯格明子晶格（圖1-3）。2019年4月17日，相關結果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”為題，在Nature雜志在線發表。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1092-8
自2009年開始，磁性斯格明子晶格的實驗觀測掀起了相關的動力學及理論物理研究熱潮，以探索其作為新型自旋電子器件的潛力。
展開 華科大《Science》子刊：新型鐵電體材料取得重要突破！
熱釋電效應是指極性材料隨溫度變化而發生的偏振變化，在從紅外（IR）探測到熱成像和能量收集等多種應用中得到廣泛應用。典型的熱電材料具有大的熱電系數(p)，這是由于它們的自發極化(PS)過程是隨溫度(t)的變化而產生的。雖然鐵電材料具有出較大的熱電系數，但由于熱電系數和介電常數之間的反比關系，它們的熱電品質因數受到高介電常數的嚴重限制。
北京理工大學洪家旺、黃厚兵，華中科技大學張光祖，賓州州立大學Qing Wang等報道了鐵電性分子，[Hdabco]ClO4、[Hdabco]BF4 (dabco=二氮雜二環[2.2.2]辛烷)，這些鐵電分子具有遠超目前鐵電材料的熱電系數和品質因數（FOMs）。相關論文以題為“Improper molecular ferroelectrics with simultaneous ultrahigh pyroelectricity and figures of merit”發表在《Science Advances》上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabe3068
研究人員通過超高熱電常數和低介電常數的特殊組合解決了當前鐵電體材料中“高熱電系數與大介電常數相關聯”的難題，為熱電材料的設計提供了新的自由度，而這是目前的鐵電體所不能達到的。研究人員觀察到了前所未有的大熱電系數和來自本文提出的分子鐵電體[Hdacco]clo 4和[Hdacco]BF4的熱電勢。通過第一性原理計算和熱力學模擬解釋了觀察到的介電和熱電行為，揭示了一級參數和二級參數的耦合對分子鐵電體熱電系數的影響。此外，這類材料在跨熱電堆循環運行時仍然保持其高熱電響應。
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Ansys Lumerical | 對鐵電波導調制器進行仿真應用
這樣我們只需要對偏振參數進行掃描，就能得到不同電壓下鐵電波導的有效折射率。需要說明的是Lumerical計算不同電場分布對BaTiO2材料折射率的影響是通過編寫腳本程序實現的，可在上圖setup-script中查看詳細處理過程。如果使用者需要替換其它鐵電材料或者改變鐵電材料波導傳播方向與電場的角度，可根據使用情況對腳本程序進行對應修改。
掃描完成后，可通過腳本程序提取出波導的有效折射率與偏置電壓的關系曲線，如下圖所示：
參考說明：
模擬區域設置
在 CHARGE 中，半導體區域必須具有電壓邊界條件。電壓邊界條件可以直接來自金屬接觸或通過相鄰的半導體層。在上述器件中，晶體硅層與陽極和陰極接觸絕緣。因此它沒有電壓邊界條件。為了提供邊界條件，我們使用接地觸點 (gnd)。但是我們不希望接地觸點設置的電勢影響陽極和陰極觸點下方的硅板的行為。這就是為什么“gnd”觸點需要放置得很遠，以便陽極/陰極觸點正下方的硅板中的電勢僅由施加在這些觸點上的電壓控制。與上述相同的原因，波導中的Si層也需要電壓邊界條件。我們不是直接從觸點(gnd) 提供邊界條件，而是通過另一個半導體區域提供邊界條件。因此，我們創造了帶隙和介電常數等于 BTO 的大帶隙半導體，這種半導體版本的 BTO 會將波導中的硅層連接到晶體硅層，從而為其提供電壓邊界條件。
BiTiO3結構細節
BiTiO3晶體為四方晶系晶體，在[100]和[010]方向具有尋常折射率no，在[001]方向具有非常折射率ne。在示例文件中，我們使用 no=2.379 和 ne=2.339。在波導中，BiTiO3 晶體的取向使得晶體的 [011] 方向平行于沿波導的傳播方向，因此需要旋轉晶體的介電常數張量以解決這一問題。
展開 左如忠教授團隊JMCA: 一種新型的類線性無鉛弛豫反鐵電陶瓷
【引言】
關于儲能介質陶瓷材料的研究，目前主要集中在線性介電陶瓷、正常鐵電陶瓷、弛豫鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷四大類。其中，正常鐵電體由于高剩余極化而具有較低的儲能密度和效率；線性介電陶瓷往往具有低介電常數而導致儲能密度較低；弛豫鐵電陶瓷儲能密度受制于較低的擊穿場強；反鐵電陶瓷則由于可逆相變過程的滯后性而使得儲能效率較低且疲勞特性差。因此，在這些陶瓷介質材料中獲得的儲能密度和儲能效率之間往往存在嚴重制約，無法同時獲得優值。
【成果簡介】
近日，合肥工業大學左如忠教授和祁核博士通過組成調制增強反鐵電材料的介電弛豫行為，借助引入局域隨機場來提高反鐵電-鐵電相變的驅動電場，制備了一種具有較高介電常數、類線性極化響應的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xNaNbO3（BNT-NN）無鉛弛豫反鐵電陶瓷材料，在獲得優異儲能效率η~85%的同時，成功地在塊體陶瓷材料中實現迄今文獻報道最高的放電儲能密度值W~7.02 J/cm3，突破了W和η往往嚴重制約的技術瓶頸，并在J. Mater. Chem. A上發表了題為“Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency”的研究論文。作者通過高分辨TEM、變溫Raman光譜和XRD結構精修等技術手段證實了優異的儲能特性主要源于體系具有高活性極性納米微區的反鐵電相結構。
展開 我國研制出世界首例無金屬鈣鈦礦型鐵電體
東南大學7月13日發布消息稱，該校熊仁根教授團隊、游雨蒙教授課題組在分子鐵電領域取得又一重大突破——研制出世界首例無金屬鈣鈦礦型鐵電體。美國東部時間7月13日，相關研究結果被世界頂級學術期刊《科學》雜志在線發表。
常見的鈣鈦礦材料主要有兩種，無機鈣鈦礦和有機-無機雜化型鈣鈦礦。這兩類鈣鈦礦材料均帶有金屬元素，雖然金屬元素的出現賦予了鈣鈦礦材料某些功能性優勢，但也加大了其加工、制備的困難。除此以外，某些金屬元素更是會造成嚴重的環境問題。
因此，人們一直在尋找鈣鈦礦家族中的第三類——全有機鈣鈦礦材料。國際頂級學術期刊“Science”曾在2002年預言過無金屬鈣鈦礦材料的種種新奇特性。但是，十余年過去，無金屬鈣鈦礦材料的發展一直止步不前。
東南大學的分子鐵電團隊，經過刻苦攻關，利用帶電分子集團取代無機離子，成功地制備出了一大類共計23種全有機新型鈣鈦礦材料。其中，共有17種材料顯示出了良好的鐵電性。更值得一提的是，團隊合成了4種材料的左手對映體、右手對映體及外消旋化合物，并分別證明了它們的鐵電性。在歷史上，像這樣左手性、右手性和無手性的化合物同時具有鐵電性的例子從未有過報道。今后，這類材料將在數據存儲、邏輯運算、光量子通信、光學雷達、能源轉換等應用中嶄露頭角。
這一研究成果被《科學》發表，不但將十余年前的預言變成了現實，為鈣鈦礦這一重要的材料家族增添了新的成員，同時也為鐵電材料的研究帶來了新的思路和方向，我國在分子材料領域又一次走在了世界前列。
來源：中化新網
展開 2020碳纖維材料展|復合材料展|高分子材料展
新型無機非金屬材料
先進陶瓷、特種玻璃、新型建筑材料、人工晶體、藍寶石、耐磨材料及設備等；
5. 高性能纖維及復合材料
高性能纖維及材料、碳纖維材料、樹脂基復合材料、碳/碳復合材料、金屬復合材料及設備等；
6. 先進高分子材料
聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚碳酸脂、功能彈性體材料、特種橡膠、工程塑料、硅材料、氟塑料、高性能氟硅材料、功能性膜材料及設備等；
7. 新能源材料
光催化能源材料、太陽能光伏材料、鋰離子電池材料、先進儲能材料、風電材料、新光源材料、油氣田先進材料及設備等；
8. 電子材料
介電材料、半導體材料、集成電路和光電器件材料、壓電與鐵電材料、熱電材料、導電金屬及其合金材料、磁性材料、光電子材料、電磁波屏蔽材料、多鐵材料、鐵電材料、非晶合金、氧化物存儲材料及設備等；
9.
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