模板合成产生具有独特铁电行为的多层钙钛矿

日本名古屋大学的一组研究人员合成了4层和5层的重要电学材料钙钛矿。通过分析这种材料的铁电机制，他们发现它具有独特的功能：这种材料根据层数是奇数还是偶数来切换其铁电机制。研究人员预计，这些不同的特性将极大地扩展新型电子设备的开发。《美国化学学会杂志》 发表了这项研究。

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，由钙钛氧化物组成。电子设备经常使用钙钛矿，因为它们具有一种称为铁电性的特性。铁电性允许通过外部电场控制和逆转电极化。这一特性使钙钛矿可用于使用开启和关闭状态的电子设备，例如存储器、电容器、执行器和传感器设备。

为了提高这些产品的功能性并减少对环境的影响，研究人员正在开发新的成分、结构和无铅铁电体。钙钛矿，尤其是 Dion-Jacobson (DJ) 型层状钙钛矿，正在成为此类研究中的重要材料类别。

DJ 型钙钛矿具有层状八面体结构，这使得层不对称，从而赋予其铁电特性。铁电特性是由施加外部场时正负离子的移动引起的，由于尺寸不匹配，导致八面体旋转和倾斜。这种倾斜降低了材料的对称性，进一步导致了铁电行为。

名古屋大学可持续发展材料与系统研究所 (IMaSS) 的 Minoru Osada 解释说，研究人员认为层状钙钛矿是尚未探索的材料，因为随着钙钛矿层厚度的增加，其热力学稳定性会下降。

为了解决这个问题，研究小组开发了一种新的合成方法，称为模板合成法，该方法可以通过逐层堆叠钙钛矿层并以构建块的方式排列它们的八面体来合成多层结构。

“在模板合成法中，通过使用三层体系作为起始材料，并与 SrTiO 3发生反应，可以将层数增加一层，”Osada 说道。“通过重复反应，可以根据反应次数对钙钛矿层数进行数字控制，从而实现多层结构的合成。通过应用模板合成法，我们首次合成了四层和五层钙钛矿。”

有趣的是，当他们测试这种材料时，发现它的行为很奇怪，根据层数表现出不同的介电常数和居里温度。

Osada 表示：“我们发现层数在这个系统中起着重要作用，并且它具有独特的功能，当层数为奇数时，它会切换到传统的直接铁电模型，而当层数为偶数时，它会切换到新的间接铁电模型。”

他们的方法为将铁电材料的范围拓展到热力学稳定相之外提供了新的机会。这一成果有望大大拓展铁电体开发中的材料搜索空间，并为开发现有材料和技术难以实现的新材料和功能提供重要指导。

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