铁电体基纳米复合材料与“高介-高场调制的介观系统

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1、铁电体基纳米复合材料与“高介-高场"调制的介观系统铁电体基纳米复合材料与“高介-高场"调制的介观系统*周济“清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京10嘲摘要由铁电体基体和嵌埋其中的纳米微粒(团簇)构成的纳米复合材料(简称铁电体基纳米复合材料)是一类新型功能材料,这类材料提供了一类新的物理系统——“高介-高场”调制的介观系统，同时在非线性光学、低驱动电压电致发光元件及量子点激光器等领域有着广阔的应用前景．文中介绍了这种新型材料的基本设计思路和制备方法，总结了近年来作者和国内外同行在这一领域的研究

2、进展，对这类材料的介电性质、光学性质及其“高介-高场”环境效应，以及实现低驱动电压下的“高场”电致发光的可能性进行了评述．关键词铁电体纳米材料介观系统介电常数发光器件近年来，纳米复合材料成为材料科学及固体物理学领域的一个重要的研究热点．一般概念上的嵌埋纳米复合材料的设计主要建立在两类基本设计思路之上．(1)通过纳米相的引入，实现对基体材料的改性，如将某些金属纳米相引入陶瓷系统，使结构陶瓷的韧性得到改善；(2)基体材料作为纳米相(或团簇)的支撑，以使纳米微粒或团簇体系器件化或稳定化，如嵌埋在si0，或沸

3、石中的非线性光学团簇．另一方面，以基体作为提供于纳米微粒或团簇的特殊物理环境为基本设计思路的纳米复合材料，以及与此相关的特殊环境下的纳米体系的介观物理行为方面的研究工作则寥寥无几．由铁电体基体和某种弥散在其中的纳米微粒或团簇所构成的一类新型纳米复合材料(简称铁电体基纳米复合材料)的设计则属于后一种情况．作为一类特殊的多功能材料，它提供了一类新的物理系统——“高介-高场”调制的纳米介观系统．1992年。我们在国际上较早地提出了利用铁电体和金属纳米微粒复合构造新型功能材料和改善铁电体性能的设想，并对铁电体

4、-金属纳米复合材料的合成方法以及电学和光学性质进行了探索．得到了国内外同行的响应．近年来，我们又制备出了铁电体-C60复合材料和铁电体-半导体量子点复合材料，并提出了“高介-高场调制的介观系统”的概念．本文对我们在这一领域研究思路、取得的主要研究成果以及国内外的最新研究进展给予简要回顾与评述．1铁电体基纳米复合材料设计思路铁电体是一类十分特殊的电介质，其基本特征是在一定温度范围内具有自发极化。极化方向可以因外场的转向而反转．由于铁电体所具有的特殊微观结构，使其呈现出许多奇异的物理性质．铁电体一般具有相

5、当高的介电常数(103～104)和介电强度，还表现出压电、热释电、电光以及非线性光学等多种性质．将纳米微粒或团簇嵌埋在铁电体基体当中，基体将对纳米弥散相产生一系列调制作用，包括：(1)铁电体基体为纳米弥散相提供了一个高介电常数的环境，该环境将影响纳米相界面附近的电场状态，进而影响其电子结构及能带特征，使纳米体系的物理性质发生一定程度乃至根本性的改变；(2)由于铁电体基体的包围使纳米相周围的界面状态发生很大变化，如界面两侧介电常数差增大，界面极化场升高等，这将导致与界面相关的各类元激发(如表面(界面)声

6、子、表面等离子体基元、表面(界面)电磁耦合场量子，表面(界面)束缚激子等)能量及其相关的表面．界面性质发生变化；(3)高介基体能够产生相当强的内电场，使嵌埋其中的纳米微粒(团簇)受到高电场的作用；(4)铁电体自身形态和结构在外界条件(温度、压力、电场、光辐射等)变化的条件下所发生的一些变化，如铁电相变、畴变、极化反转等，也为纳米相提供了一个可变的物理环境．从上述理论不难看出，铁电体基纳米复合材料中蕴藏着许多新的物理信息，并具有可资利用的功能．这正是我们最初设计这类材料的基本思想．2材料的制备方法近十几

7、年来，一大批以无机氧化物为基体的嵌埋纳米复合材料被相继制备出来．其制备方法包括溶胶一凝胶(sol-gel)法、熔融玻璃法、射频溅射法等，其中最为常用的是溶胶-凝胶法．多数材料是采用一些简单的氧化物，如Sio2，Zr02，Ti02等作为基体，这些基体材料本身相对比较稳定，其本身及其前驱体不容易与弥散相发生化学作用，同时也易于找到较为合适的前驱体化合物，因此在制备上难度并不大．铁电体的情况则不同，一方面，它们一般都是比较复杂的二元、三元氧化物，并且存在其前驱体与弥散相前驱体发生化学反应的可能；同时，为了获

8、得预期的介电性质，往往要求铁电体是晶化的．因此材料制备过程涉及～系列十分复杂的工艺问题．1992年，我们在锆钛酸铅(PzT)铁电薄膜的sol-gel制备技术的基础上加以改进．制备出PZT基体与纳米Ag微粒复合的薄膜．其基本过程是将Ag盐溶液以水解液的形式加人PZT前驱体溶液，使银离子进入PZT溶胶一凝胶状态，在凝胶薄膜热处理过程中，银离子被还原成O价原子，并团聚形成微粒．该工艺过程的一个关键步骤是，为了防止银离子与溶液中的一些有机基团反应形成沉淀，首先需