新型铁电金属的显微结构及电子结构研究

Although the conjecture about "ferroelectric metal" has been verified, the transformation process of ferroelectric phase and non-ferroelectric phase is not clear, and the microscopic mechanism of the coexistence of ferroelectricity and metallicity is controversial. In this proposal, the microstructure of ferroelectric metal is studied by all kinds of transmission electron microscopy related techniques, electron energy loss spectroscopy and first principles. A detailed model of phase transition of ferroelectric metals will be constructed at the atomic arrangement level and compared with existing models of phase transition of metals and phase transition of ferroelectric metals. The near-edge fine structure and local coordination environment of different elements of ferroelectric metal materials are studied. The electronic structure is used as bridge to explore the new ferroelectric metal system and its common law. The relationship between microstructure and macro-performance of new ferroelectric metal is to be established. This subject is of great significance for understanding the new ferroelectric metal related phenomena and expanding the application of electron microscopy in ferroelectric materials.

虽然关于“铁电金属”的猜想得到验证，但铁电相和非铁电相的转变过程还不清楚，金属铁电性并存的微观机理存在争议。本课题拟综合运用透射电子显微学方法研究材料的显微结构，电子能量损失谱实验和第一性原理计算相结合研究铁电金属的电子结构。在原子排列层次上构建铁电金属相变的细节模型，与已有金属相变和铁电相变模型进行比较，深入分析新型铁电金属的相变机制。研究新型铁电金属材料不同元素的能量损失近边精细结构及局域配位环境，以电子结构为桥梁，比较实验与理论结果，将铁电金属材料的电子结构与宏观性质联系起来，澄清铁电性与金属性并存机制。探索铁电金属新体系及其共性规律，建立新型铁电金属微观结构与宏观性能的关系。该课题对于理解新型铁电金属相关现象，拓展电子显微学方法在铁电材料中的应用具有十分重要的意义。

虽然关于“铁电金属”的猜想得到验证，但铁电相和非铁电相的转变过程还不清楚，金属铁电性并存的微观机理存在争议。本课题综合运用透射电子显微学方法研究材料的显微结构，将电子能量损失谱实验和第一性原理计算相结合研究铁电金属的电子结构。在原子排列层次上构建铁电金属相变的细节模型，与已有金属相变和铁电相变模型进行比较，深入分析新型铁电金属的相变机制。得到如下结论：.1.实验和理论研究LiOsO3价电子能量损失谱和芯电子能量损失近边精细结构（ELNES）。阐明价电子能量损失峰来源于等离子体振荡和电子跃迁，ELNES反映O-2p轨道和Os-5d轨道中未占据态信息和原子周围最近邻和次近邻配位的电子散射情况。O原子和Os原子形成O-Os共价键，这种共价键的竞争对铁电相具有稳定作用。LiOsO3铁电性主要来源于O-2p轨道和Os-5d轨道的杂化。.2.研究了Al离子掺杂SrTiO3，与Al同一周期元素，同一主族元素掺杂SrTiO3及稀土离子掺杂SrTiO3的电子结构和带隙调节情况。与Al同一周期元素中，P离子掺杂SrTiO3光催化性能最好；同一主族元素掺杂体系中，Al离子掺杂SrTiO3光催化性能最好。.3.研究YMnO3体系电子结构和材料基本物理特性的关系。YMnO3的铁磁性与O-2p和Mn-3d、Y-4d之间的杂化作用有关。利用费米面以上空态密度说明YMnO3电子能量损失谱的高能O-K边和Mn-L2,3边的形成原因，通过模拟不同价态Mn-L2,3边，揭示Mn在YMnO3中主要以三价态形式存在。.4.研究BiFeO3体系A/B位不同金属阳离子掺杂，研究其电子结构并分析铁电性、铁磁性的来源及影响因素。BiFeO3的铁电机制主要与Bi-6s轨道上的孤对电子和O-2p轨道电子杂化有关。实验和理论对比分析O K边和Fe-L2,3边结果，证明模拟计算中Core-hole效应具有重要作用。. 电子能量损失谱与第一性原理计算结合研究ABO3型钙钛矿氧化物材料的电子结构和跃迁过程，为材料应用提供了一定的理论基础。项目成果共发表标注资助收录SCI论文32篇。申请人做邀请报告4次。培养博士研究生9人（4人已毕业，5人在读），培养硕士研究生17人（7人已毕业，10人在读）。