打破热力学限制：日本科学家创造首例4层和5层钙钛矿

日本名古屋大学的研究人员成功合成了4层和5层的钙钛矿材料，发现这种材料的铁电性能会根据层数是奇数还是偶数而改变。这一发现有望显著推进新电子设备的发展，因为这种材料具有多样化的特性。

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，由钙钛氧化物组成。电子设备经常使用钙钛矿，因为它们表现出一种称为铁电性的特性。铁电性允许通过外部电场控制和反转电极化。这一特性使得钙钛矿适用于使用开关状态的电子设备，如存储器、电容器、执行器和传感器设备。

为了提高功能性并减少这些产品的环境污染，研究人员正在开发新的组成、结构和无铅铁电材料。特别是Dion-Jacobson（DJ）型层状钙钛矿，正成为这一研究中的重要材料类别。

DJ型钙钛矿的铁电性能

DJ型钙钛矿具有层状八面体结构，使层不对称，赋予它们铁电性能。铁电性能是由外部场应用时正负离子的移动引起的，由于尺寸不匹配，导致八面体的旋转和倾斜。这种倾斜降低了材料的对称性，进一步促成了铁电行为。

名古屋大学材料与系统可持续性研究所（IMaSS）的Minoru Osada解释说，由于钙钛矿层厚度增加时热力学稳定性下降，研究人员认为层状钙钛矿是未被充分研究的材料。

为了克服这一难题，研究小组开发了一种新的合成方法，即模板合成方法，通过逐层叠加钙钛矿层并像构建块一样排列它们的八面体，从而实现多层结构的合成。

多层钙钛矿的独特行为

有趣的是，当他们测试材料时，发现材料表现出奇怪的行为，显示出不同的介电常数和居里温度，这取决于层数。

Osada说：“我们发现层数在这一系统中起着重要作用，并且它具有独特的功能，可以在层数为奇数时切换到传统的直接铁电模型，在层数为偶数时切换到新的间接铁电模型。”

他们的方法为扩大铁电材料的范围提供了新的机会，超越了热力学稳定相。这一成就有望大幅扩展铁电材料开发中的材料搜索空间，并为开发现有材料和技术难以实现的新功能和材料提供重要的指导方针。

名古屋大学研究人员的这一创新为电子设备材料的开发开辟了新的可能性。通过合成具有独特铁电性能的多层钙钛矿，研究人员为未来的电子设备发展提供了新的方向。我们邀请您在评论区分享您对这项研究的看法，以及您认为这种新型材料可能带来的变革。

参考资料：DOI： 10.1021/jacs.4c09214