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哈尔滨工业大学柯华团队：高性能SrBi2Ta2O9铁电陶瓷的新突破，织构化与Ca掺杂协同优化面内性能精选

已有 9622 次阅读 2026-7-9 11:09 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Luo H, Li F, Tian J, et al. Enhanced in-plane ferroelectric polarizations with low in-plane leakage currents in Ca-doped SrBi₂Ta₂O₉ textured ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221344

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221344

ResearchGate：Enhanced in-plane ferroelectric polarizations with low in-plane leakage currents in Ca-doped SrBi 2 Ta 2 O 9 textured ceramics | Request PDF

一、导读

近期，哈尔滨工业大学柯华教授团队通过模板晶粒生长(TGG)技术结合流延成型法，制备出织构度高达f = 0.985的择优取向SrBi₂Ta₂O₉陶瓷，面内剩余极化达到15.83 μC×cm^-²，较随机取向陶瓷提升197%。进一步引入Ca元素掺杂，保持f ≥ 0.917高织构度的同时降低了面内漏电流至5.924×10^-⁷ A×cm^-²，结合第一性原理计算，揭示了Ca的引入增大了[SrTa₂O₇]²^-钙钛矿单元的极化，并通过增大带隙抑制了载流子迁移。该工作为开发高性能、高可靠的SrBi₂Ta₂O₉基铁电存储器与传感器件提供了明确的材料设计与制备路线。

二、研究背景

随着非易失铁电存储器、介电微波器件和高灵敏度传感器等半导体集成电路的快速发展，市场对兼具低漏电流和高剩余极化的铁电材料需求日益迫切。SrBi₂Ta₂O₉作为一种无铅Aurivillius相材料，因其面外方向极低的漏电流(~10^-⁹ A×cm^-²)而备受关注，但其剩余极化较低（随机陶瓷仅~7 μC×cm^-²），远低于BaTiO₃、PZT等钙钛矿材料。

这一矛盾源于SrBi₂Ta₂O₉的结构各向异性：铁电极化取向沿a轴，而贡献绝缘性的(Bi₂O₂)²⁺层则沿c轴排列，以抑制空间电荷迁移。在随机取向多晶陶瓷中，不同取向晶粒之间的晶界会额外阻碍畴翻转，导致极化难以充分释放。虽然织构工程有望通过晶粒定向排列提升极化，但此前报道的SrBi₂Ta₂O₉织构陶瓷取向度较低(Lotgering因子f ~ 0.4)，面内铁电性能远未达到理论值；同时，织构化本身无法解决面内较高漏电流的问题。因此，如何同时实现高度织构化和有效抑制面内漏电流，是释放SrBi₂Ta₂O₉面内铁电潜力、推动其实际应用的核心技术挑战。

三、文章亮点

1、流延成型法突破陶瓷织构度

采用流延成型辅助TGG工艺，替代传统单轴压制成型，使模板晶粒均匀定向排列，首次将SrBi₂Ta₂O₉织构度提升至f = 0.985，接近单晶水平，充分释放了面内铁电极化。

2、陶瓷面内铁电性能媲美单晶

a-b面样品剩余极化达15.83 μC×cm^-²，较随机取向陶瓷提升197%，与SrBi₂Ta₂O₉单晶(14~20 μC×cm^-²)相当。第一性原理计算揭示，a轴与b轴之间极化翻转能垒极低(0.05~0.31 eV)，使得面内极化在电场下可高度协同翻转。

3、Ca掺杂实现铁电性与漏电流的协同优化

Ca²⁺取代Sr²⁺后，在维持高织构度(x = 0.4时仍达f = 0.917)的同时，居里温度从298°C升至500°C，工作温度上限提升至375°C；面内漏电流密度降至5.924×10^-⁷ A×cm^-²，介电损耗降至0.006，高频稳定性显著增强。

4、机理清晰，理论实验互证

第一性原理计算表明，SrBi₂Ta₂O₉的带隙随着Ca掺杂增大，抑制了载流子迁移；同时，Ca增强了[(Sr/Ca)Ta₂O₇]²^-钙钛矿层的铁电极化贡献，且交流阻抗谱证实面内直流电导率下降、激活能升高，从电子结构层面解释了漏电抑制机制。

四、研究结果及结论

1、织构度验证：XRD显示c面样品仅出现(00l)衍射峰，Lotgering因子f = 0.985 (图1(b))；SEM显示晶粒呈明显各向异性片状(图1(c)-(d))；TEM及SAED斑点进一步确认c轴择优取向和90°畴结构(图1(f)-(h))。

图1 织构SrBi₂Ta₂O₉陶瓷的物相与微观结构表征

2、铁电性能：a-b面电滞回线测得剩余极化P_r =15.83 μC×cm^-²，矫顽场E_c = 24.18 kV×cm^-¹(图2(c))，较随机取向陶瓷(5.33 μC×cm^-²)提升197%；理论计算显示a↔b极化翻转能垒极低(图2(d))，且能量-极化曲线验证了面内极化易取向性。

图2 织构SrBi₂Ta₂O₉陶瓷的介电与铁电性能

3、Ca掺杂效应：随x增加，XRD中(115)峰微弱出现，织构度仍达到0.917(图3(d))；介电频谱显示ε_r和tanδ随x降低(图4(a)-(b))，tanδ在x = 0.4时仅0.006；介温谱显示T_C线性升高至500°C(图4(c))；最大面内剩余极化(图4(i))证实Ca掺杂增强极化，与理论预测(图3(b))一致。

图3 Ca掺杂织构SrBi₂Ta₂O₉陶瓷的理论自发极化计算与结构表征

图4 Ca掺杂织构SrBi₂Ta₂O₉陶瓷的介电与铁电性能

4、漏电流与能带：I-V曲线(图4(h))显示x = 0.4时面内漏电流密度降至5.924×10^-⁷ A×cm^-² (@50 kV×cm^-¹)；第一性原理带隙计算(图5(a))显示带隙随掺杂比例x线性增加；交流阻抗谱(图5(b))和Arrhenius电导率拟合(图5(c))表明，Cac掺杂促进面内电导率下降、激活能从0.966 eV升至1.079 eV，接近纯相织构陶瓷c面的值（1.090 eV），证实Ca掺杂有效抑制了面内载流子输运。

图5 Ca掺杂织构SrBi₂Ta₂O₉陶瓷的理论电子能带带隙计算和变温电导率表征

五、作者及研究团队简介

柯华，男，博士，哈尔滨工业大学教授/博导。主要从事压电/铁电陶瓷、多铁陶瓷及磁电复合材料的设计与研发，致力于结合前沿量子理论开发新型电子功能材料。主持国家重点研发计划项目课题及国家自然科学基金等国家部委项目10余项。在Phys. Rev. B、J. Appl. Phys.、J. Adv. Ceram.、Adv. Electron. Mater.、Mater. Today Phys.、Scripta Mater.、J. Eur. Ceram. Soc.、J. Am. Ceram. Soc.等领域高水平SCI期刊发表论文80余篇，授权发明专利15项，软件著作权4项，主参编教材与专著3部。担任科技部重点研发计划重点专项核心专家，工信部“新材料大数据创新联盟”常务理事单位代表，黑龙江省表面工程学会常务理事，黑龙江省科普专家，《现代技术陶瓷》期刊编委，J. Adv. Ceram.期刊编委等学术职务。

罗蕙佳代，女，博士，哈尔滨工业大学助理研究员。主要从事新型铁电材料相变调控的第一性原理计算方法的研究工作，在Phys. Rev. B、J. Appl. Phys.、J. Adv. Ceram.、Mater. Today Commun.等期刊发表SCI论文20余篇，授权发明专利6项，软件著作权4项。作为项目骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等部委项目5项。XRD数据收录于国际衍射数据中心(ICDD)。获得2021年、2022年中国钢研集团悬赏征算项目三等奖以及M@T材料数字化研发工程师认证、M@T材料数字化研发教师认证。

李方喆，男，哈尔滨工业大学助理研究员。主要从事铁电和多铁性陶瓷的设计合成与器件应用研究工作，在J. Adv. Ceram.、Adv. Electron. Mater.、Ceram. Int.、J. Mater. Chem. C等领域高水平期刊发表SCI论文20余篇20余篇，申请和授权发明专利11项、软件著作权4项。作为骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目等国家级项目5项。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Li F, Luo H, Cao L, et al. Sintering densification driven by orientation fluctuation in textured BaTiO₃ ceramics with abnormal comprehensive ferroelectric properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221126. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221126

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。