第二章 钙钛矿结构及相关功能材料

第二章钙钛矿结构及相关功能材料2.1钙钛矿结构2.2压电及铁电材料2.3巨磁阻及庞磁阻效应2.4其它应用参考书目：王中林，康振川。功能与智能材料-结构演化与结构分析，科学出版社，2002（第三章）2.1钙钛矿结构（Perovskite）当前压电、超导、磁电阻、催化、离子导体等多种功能材料中，具有钙钛矿结构的材料占重要比例，因此钙钛矿结构材料也是当前材料科学研究领域的热点之一。Ca2+O2-Ti4+1）钙钛矿结构钙钛矿结构通式可用ABO3来表达，晶体结构为立方晶系，是一种复合金属氧化物。典型的钙钛矿结构材料为CaTiO3A位离子：一般为碱土或稀土离子rA0.090nmB位离子，一般为过渡金属离子rB0.051nm以CaTiO3为例讨论其配位关系Ca2+Ti4+O2-结构描述Ca2+位置O2-位置Ti4+位置CNCa2+=12(O)CNO2-=6(4A+2B)CNTi4+=6(O)O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积(面心结构)，Ti4+填充在位于体心的八面体间隙中。钙钛矿晶体结构OAB钙钛矿结构中基本的(AO3)4-(111)面的密堆层1.氧八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定。2.共顶连接使氧八面体网络之间的空隙比共棱、共面连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定；并有利于氧及缺陷的扩散迁移。3.钙钛矿结构中的离子半径匹配应满足下面关系式：式中RA、RB、RO分别代表A、B、O的离子半径，t称为容差因子（ToleranceFactor）。t=1时为理想的结构，此时A、B、O离子相互接触。理想结构只有在t接近1或高温情况下出现。tRRRROBOA)(22）结构特点：4.t=0.77~1.1之间时，ABO3化合物为钙钛矿结构；t0.77时，以铁钛矿形式存在；t1.1时，以方解石或文石型存在。5.A、O离子半径比较相近，A与O离子共同构成立方密堆积。6.正、负离子电价之间应满足电中性原则，A、B位正离子电价加和平均为(+6)便可。7.由于容差因子t范围很宽及A、B离子电价加和为(+6)便可，使结构有很强的适应性，可用多种不同半径及化合价的正离子取代A位或B位离子。简单的：A1+B5+O3，A2+B4+O3，A3+B3+O3复杂的：A(B1-xBx)O3,(A1-xAx)BO3,(A1-xAx)(B1-yBy)O33）功能特性的起源正离子和/或负离子偏离化学计量正离子构型畸变混合价Ca2+Ti4+O2-以上均可以通过对基本化学相进行正离子掺杂来实现。而钙钛矿结构中，金属正离子几乎可以不受数量的限制进行复合、还原、再氧化产生非化学计量，及通过控制有序氧空位的数量可实现高氧离子可动性或者改变其电磁性能。2.2压电及铁电材料2.2.1电介质的极化电极化：电介质在外电场作用下，介质内的正负电荷重心发生分离，形成电偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不重复而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。在这类晶体的晶胞内存在固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。例：由热运动引起的自发极化自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。BaTiO3：钙钛矿型结构••••••••°°立方晶系（大于120oC）：晶胞常数：a=4.01A氧离子的半径：1.32A钛离子的半径：0.64钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：4.01－2×1.32=1.37钛离子的直径：2×0.64=1.28钙钛矿降温过程中结构畸变，对称性下降：如果在一个轴向发生畸变（如c轴伸长或缩短）四方晶系如果在两个轴向发生畸变正交晶系若沿体对角线[111]方向发生畸变三方晶系菱面体格子由于畸变，使一些钙钛矿晶体结构中正、负电荷中心不重合，即晶胞中产生偶极矩，产生自发极化。2.2.2压电和热释电效应在机械应力的作用下介质发生极化，形成晶体表面电荷的效应称为压电效应。反之，当外加电场于晶体，晶体发生形变的效应称为逆压电效应。逆压电效应也称电致伸缩效应。这样的性质称为晶体的压电性。具有压电效应的晶体称为压电体。热释电效应：具有自发极化的晶体在温度发生变化，其极化状态的发生改变，使电介质对外显电性。铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域，那些自发极化方向相同的区域称为电畴。2.2.3铁电性自发极化的方向可以随着外加电场的方向改变而改变，从而使这种晶体具有铁电性，该晶体称为铁电晶体。钙钛矿(ABO3)型铁电体是为数最多的一类铁电体。在一定温度范围内，铁电体必然是压电体，而压电体则不一定是铁电体。铁电体的极化强度P与外电场E之间存在电滞回线，因而，可用是否存在电滞回线来判断是否是铁电体。对于自发极化而言，从宏观统计来看，晶体中存在着各个方向的自发极化和电畴，它们相互抵消，宏观上对外不呈现极性。外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。介电晶类（32种）不具有对称中心的晶类(21种)其中压电晶类(20种)极性晶类(热释电晶类)（10种）1，2，3，4，6，m,mm2,4mm，3m，6mm非极性晶类（11种）222,-4,-6,23,-43m,422,-42m,32，622，-6m2，423(不具有压电性）具有对称中心的晶类（11种）-1,2/m,4/m,-3,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/mmm,m3m,-3m铁电体热释电体压电体介电体MO2分子的极化过程示意图必须具有改变原子相对位置的柔性基本结构，该结构应能灵活的改变原子相对位置。有一个轻微变形的晶体结构（某一方向），该结构中正负电荷中心不重合，即晶体沿一个方向有极化。化合物要具有好的铁电性能，需要满足以下条件：c≠ac=ac≠a如果沿Z轴施加一电场，侧面上的4个氧离子比顶面和底面氧离子更容易移动。过渡族金属正离子具有空的d轨道，能产生自发的铁电体变形（J-T畸变）。钙钛矿结构化合物对于铁电体来说正是这样一种好的结构。因为：2.2.4典型钙钛矿结构材料—BaTiO3立方晶系(BaTiO3)（001）方向↓←120oC四方晶系（011）方向↓←0oC斜方晶系(111）方向↓←-80oC三方晶系立方晶系四方晶系斜方晶系三角晶系PsPsPs1.BaTiO3的相变BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大,因而Ti4+离子能在氧八面体中震动。T120℃，Ti4+处在各方几率相同（偏离中心的几率为零），对称性高，顺电相。T120℃Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按氧八面体三组方向相互传递耦合，形成自发极化电畴。2.BaTiO3自发极化产生的原因：2.2.5压电材料及其应用由于纯的钛酸钡居里点低、使用温度范围窄等缺点，人们发展了一系列改性的钛酸钡材料。如采用离子置换法或添加杂质，能改善钛酸钡的特性，某些置换离子能使其第一居里点升高、第二居里点降低，大大扩展了其使用温度范围。通过置换掺杂发展了一系列钙钛矿结构压电陶瓷材料，主要代表如下：Pb(Ti,Zr)O3(PZT);Pb(BⅡ1/3Nb2/3)O3(BⅡ=Mg、Co、Zn、Cd、Mn、Ni)；Pb(BⅢ1/2Nb1/2)O3(BⅢ=Sb、Y)；Pb(BⅡ1/2W1/2)O3(BⅡ=Mg、Co、Cd)Pb(BⅡ1/2Te1/2)O3(BⅡ=Mg、Ni、Co、Mn)；Pb(BⅡ1/3Nb2/3)O3(BⅡ=Mn、Ni)Pb(BⅢ1/2BⅤ1/2)O3(BⅡ=Fe、Cr;BⅤ=Nb、Ta)；(Pb1-xLax)(ZryTiz)1-x/4O3(PLZT)主要应用电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高密度信息存储2.3钙钛矿系庞磁阻(CMR)材料CMR：ColossalMagneto-resistance巨磁电阻效应（GiantMagneto-resistance，GMR）1.磁性金属多层膜GMR效应图Co/Cu多层膜的磁电阻与Cu层厚度tCu的关系曲线Co/Cu多层膜的磁电阻与Cu层厚度tCu为0.9、1.9、3.0nm处，分别有一明显的峰值，对应反铁磁耦合，谷对应铁磁耦合。随着非磁层厚度的变化，多层膜中磁层的层间耦合在反铁磁与铁磁间振荡，磁电阻值也在极大与极小间振荡。2.氧化物庞磁阻（ColossalMagnetoresistance，CMR）CMR效应的机理研究典型的A2+B4+O3钙钛矿化合物中，过渡金属离子和氧离子发生交换作用，使邻近金属离子的自旋交换积分为负，因此自旋反向排列，呈反铁磁性，可由Anderson理论给予解释。如图，按经典矢量模型处理：当交换积分常数A为正时，交换能为最小值的条件是相邻原子间的电子自旋角动量同向平行排列（=0，cos=1）。当交换积分常数A为负（A0）时，交换能为最小值的条件是相邻原子间的电子自旋角动量反向平行排列（=180°，cos=1）。根据能量最小值原理，当铁磁体内部相邻原子的电子交换积分常数A取正值时，相邻原子自旋磁矩要同向平行排列，从而实现自发磁化至饱和。此乃铁磁性的起因。原子磁矩不为0，交换积分常数A0是铁磁性的必要与充分条件！自发磁化理论1928年海森堡（W.Heisenberg）和弗伦克尔几乎同时提出分子场是由于相邻原子间电子自旋的交换作用理论。是一种量子力学效应。两个电子自旋角动量的矢量模型Eex=-2As1s2cos如果氧八面体层因(AO3)4-层变化（如A位置换、氧缺位）导致变形，则自旋的反平行排列可能变化，出现铁磁性。对于LaMnO3、BaMnO3、SrMnO3、CaMnO3、LaCoO3和SrCoO3化合物，Mn和Co分别有两种价态，Mn3+(或Co3+)离子之间、Mn4+(或Co4+)离子之间为负磁性交换作用，因此正常情况下它们都是磁绝缘体和反铁磁性。但Mn3+和Mn4+离子之间有一正的强交换作用，如果LaMnO3和BaMnO3、LaMnO3和SrMnO3、LaMnO3和CaMnO3分别混合，形成(La1-xA’x)MnO3固溶体(A为2价离子)，该化合物将具有铁磁性。原因在于Mn3+和Mn4+离子之间的正的磁交换作用。二价的A’离子掺入A位置换3价La离子，导致氧空位的产生，引起氧八面体变形，Mn3+离子在八面体中的J-T畸变使a-b面中的Mn-O键长不均匀，一边长一边短，在一个属于Mn3+占据的轨道和邻近Mn4+空轨道间产生强交换作用，导致面内形成铁磁性排列，而且电子从高自旋的Mn3+离子转移到邻近Mn4+离子。因此这种材料不仅具有铁磁性，而且具有导电性。从Mn3+到Mn3++Mn4+混合价的过程a.LaMnO3的电子轨道图b.从Mn3+转变为Mn4+磁电阻材料的应用巨磁电阻磁头磁电阻随机存储器磁电阻传感器巨磁电阻磁头模型衡量磁电阻性能的三个基本参数是:(1)在一定温度下所能达到的最大磁电阻值，尤其是室温下的磁电阻值。(2)获得最大磁电阻效应所需施加的饱和外磁场强度。(3)稳定性，当温度，湿度，振动等条件变化时，磁电阻效应的变化要比较小。应用主要有以下三个方面：2.4其它钙钛矿系功能材料2.4.1催化2.4.2燃料电池、锂离子电池2.4.3气敏材料1.汽车尾气净化应用即将排放的CnHm,CO及NOx同时进行氧化还原消除组成