铁电金属的知识

　　材料的铁电性起源于非中心对称性材料中应力和静电相互作用所共同导致的正负电荷不重合。这种正负电荷的不重合产生的电偶极矩一致排列，对外就显示处了材料的宏观电极化。而金属性导电材料所*的特点是拥有大量自由移动电荷，这种自由移动电荷会屏蔽一切内部的电荷不平衡，使材料中心对称化。因此，从原理上讲，金属性和铁电性是不可能共存于同一种材料中的。然而，早 在 1965 年，Anderson 和 Blount 就预言了一种名为“铁电金属”的材料。由于长时间缺乏实验数据的支撑，这类预言中的材料一直没有引起人们的广泛重视。近，Youguo Shi 等人利用中子衍射和聚焦电子束衍射技术，在金属导电性的LiOsO3 材料中观测到了非中心对称相变。150 K 温度下 LiOsO3 由中心对称 R-3c 结构连续相变到传统铁电材料中存在的非中心对称的 R3c 结构。这一结果重新引起了人们对非中心对称金属的重视。LiOsO3 材料物理机理的研究，以及新的非中心对称金属的预测今年来也成为热电研究领域。图 1.16 中是 LiOsO3 材料结构参数随着温度的变化图。可以看到，在 150 K 的时候存在一个明显的结构相变。
 

　　为了实现“铁电金属”的性质，除了通过找到一种金属材料并使其具有非中心对称结构以外，还可以寻找一种传统铁电绝缘材料，在保证其铁电极化不被淹没的前题下进行载流子的掺杂。[121-123] 传统的钙钛矿型铁电材料 BaTiO3(BTO)被作为掺杂对象进行研究。[123-125] 通过缺氧退火以及生长过程条件控制，在 BTO 中引入氧空位，从而成功的达到电子掺杂，甚至实现了绝缘-金属的导电性转变。 然而大多数报道表明，在掺杂到一定浓度后，BTO 中的极化畸变会消失，从而铁电性不再存在。近还有人利用认为构造 SmTiO3/BTO 的方式，纯静电掺杂载流子到 BTO 中，实现了自由载流子和铁电极化的共存。[126] 近 Xu He等人有提出了新的铁电铁电金属候选对象 PbTiO3(PTO)，他们理论计算发现在铁电材料 PTO 中进行电子掺杂的过程中，铁电极化不但不会消失，反而有可能增强。[127] 图 1.17 中是不同的后退火温度下 BTO 的电阻率随着温度的变化情况。后退火温度越高，BTO 材料内部氧空位越多，响应的电阻率越低。可以看出，1100 ℃的后退火温度下，BTO 样品的电阻率随着温度的升高而升高，呈现出金属导电性。