铁电和反铁电以及钙钛矿结构的概念

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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）,铁电与反铁电的比较,铁电体和反铁电体的基本性质,铁电体的研究进展,反铁电体的研究进展,反铁电陶瓷,铁电体的定义,：,铁电体：某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为,铁电性,，具有铁电性的晶体称为,铁电体,反铁电体的定义：,反铁电体：,在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列，宏观上自发极化强度为零，无电滞回线的材料，称为反铁电体。,典型的铁电材料,铁电材料概括起来可以分为两大类：,a.,一类以磷酸二氢钾,KH,2,PO,4,-,简称,KDP-,为代表，具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序到有序的相变；,b.,另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。,钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图,典型的反铁电材料,NH4H2PO4,型（包括,NH4H2AsO4,及氘代盐等,）；,（,NH4,）,2SO4,型（包括,NH4HSO4,及,NH4LiSO4,等,）；,（,NH4,）,2H3IO6,型（包括,Ag2H3IO6,等）；,钙钛矿型（包括,NaNbO3,、,PbZrO3,、,PbHfO3,、,Pb,（,Mg1,2W1,2,）,O3,等）；,RbNO3,等。,铁电体与反铁电体的相同点,介电反常,铁电体与反铁电体的不同点,关于电滞回线,铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强度,p,0,。当外电场,E,很小时,p,与,E,有线性关系。当,E,足够大以后，出现,p,滞后于,E,而变化的关系曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。当,E,很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵轴的截距,p,称为饱和极化强度。,E,由幅值减小时,p,略有降低，当,E,0,时，铁电体具有剩余极化强度,p,r,；当电场反向至,E,=-,E,c,时，剩余极化迅速消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致对称的回线；,E,c,称为矫顽场。电滞回线是判断铁电性的重要标志。,铁电体的特性：,极化强度,P,和电场强度,E,有复杂的非线性关系，,r,不是常量，它随,E,变，最大可达几千；,有电滞现象，在周期性变化的电场作用下，出现电滞回线，有剩余极化强度；,当温度超过某一温度时，铁电性消失，这一温度叫做居里（,Pierre Curie,）温度；,铁电体内存在自发极化小区，把这种小区叫做电畴。,正是因为存在电畴，铁电体才具有以上这些独特的性质。,关于双电滞回线,反铁电体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其,P-E,呈双电滞回线。其在,E,较小时，无电滞回线，当,E,很大时，出现了双电滞回线。,反铁电相变,在顺电,-,铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生了微小的畸变。在顺电,-,反铁电相变中，顺电相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺电相点群与反向极化的叠加而得出。,铁电体的性质,铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性。,介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的性质。,压电性：某些介质的单晶体，当受到定向压力或张力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。,铁电体的效应,光电效应：物质由于吸收光子而产生电的现象。,声电效应：通过在半导体中传播的声波的作用而产生电动势的一种现象。,热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改变的现象。,光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射率发生了可逆的变化的现象。,铁电体各种性质的应用,铁电性,:,铁电场效应晶体管,FFET,介电性,:,大容量电容,可调谐微波器件,压电性,:,压电传感器,换能器,马达,电光效应,:,光开关,光波导,光显示器件,声光效应,:,声光偏转器,光折变效应,:,光调制器件,光信息存储器件,热释电效应,:,非致冷红外焦平面阵列,铁电体的研究进展,第一性原理的计算,现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理的计算，对,BaTiO,3,、,PbTiO,3,、,KNbO,3,和,LiTaO,3,等铁电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有重要作用。,尺寸效应的研究,随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。,铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究,1975,年,MEYER,发现，由手性分子组成的倾斜的层状,c,相液晶具有铁电性。在性能方面，铁电液晶在电光显示和非线性光学方面很有吸引力。电光显示基于极化反转，其响应速 度比普通丝状液晶快几个数量级。非线性光学方面，其二次谐波发生效率已不低于常用的无机非线性光学晶体。,聚合物的铁电性在,70,年代末期得到确证。虽然,PVDF,的热电性和压电性早已被发现，但直到,70,年代末才得到论证，并且人们发现了一些新的铁电聚合物。聚合物组分繁多，结构多样化，预期从中可发掘出更多的铁电体，从而扩展铁电体物理学的研究领域，并开发新的应用。,集成铁电体的研究,铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特性大有改善，已制出反转次数达,5*10,12,次,仍不显示任何疲劳的铁电薄膜。,在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同时，铁电薄膜的应用也不局限于铁电随机存贮器，还有铁电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声表面波器件以及光电子器件等。,反铁电体的研究方向,反铁电体的应用,贮能应用,利用反铁电材料的极化强度,-,电场的双电滞回线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。把这种器件与电路中的负载并联，可以使负载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流和脉冲功率源。,换能应用,传统的压电体的能量转换是线性的，而且是可逆的。但是，由于介电损耗及机械损耗的原因，它只能在低负荷循环下工作，而可转换 的能量密度约为,0.05,焦耳,/,厘米,3,。,利用,电场强迫反铁电相变，转变为铁电体，使它放出机械能；或者施加压应力强迫铁电体转变为反铁电体，使放出电能。这种方法产生的机电能量转换的能量密度可超过,1,焦耳,/,厘米,3,。强迫相转变换能实际是使铁电陶瓷内部大量的电畴发生再取向，因而有更大的能量密度。但这时全部或大部分极化状态受到破坏，能量转换过程是非线性的。由于伴随着有电滞回线现象，因而重复率及负荷循环必须低。施加偏压可以使相转变成为可逆的。,换能应用,从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样，利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶胞几何体积的变化把电能转换为机械能。,反铁电陶瓷,目前的研究,目前实际应用的反铁电材料主要是改性的,PbZrO,3,陶瓷。对,PbZrO,3,进行改性掺杂，会使它的反铁电,-,铁电相变点降低，甚至可以降到室温以下；或者一个极化电场，使它变成亚稳的铁电相。,反铁电换能器存在的问题,反铁电换能器的相变滞后要消耗很大能量，损耗较大，目前效率最高只能达到,40%,左右（压电换能器可达,90%,）；,使用反铁电换能器必须外加一个很高的直流偏压（相当于相变电场）；,由于内耗大，工作中发热大，不大可能进行连续操作，只能作脉冲式的工作，工作频率太高也不行（超声的频率就已经不大适应了），所以只能在低频、低工作循环时使用。,Thank you,！,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。,Ca,2+,O,2-,Ti,4+,1,）钙钛矿结构,钙钛矿结构通式可用,ABO,3,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,CaTiO,3,A,位离子：一般为碱土或稀土离子,r,A, 0.090nm,B,位离子，一般为过渡金属离子,r,B, 0.051nm,以,CaTiO,3,为例讨论其配位关系,Ca,2+,Ti,4+,O,2-,结构描述,Ca,2+,位置,O,2-,位置,Ti,4+,位置,CN,Ca,2+,= 12 (O),CN,O,2-,= 6 (4A+2B),CN,Ti,4+,= 6 (O),O,2-,和半径较大的,Ca,2+,共同组成立方紧密堆积,(,面心结构,),，,Ti,4+,填充在位于体心的八面体间隙中。,钙钛矿晶体结构,O,A,B,钙钛矿结构中基本的,(AO,3,),4-,(111),面的密堆层,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。,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。,钙钛矿结构中的,离子半径匹配应满足下面关系式：,式中,R,A,、,R,B,、,R,O,分别代表,A,、,B,、,O,的离子半径，,t,称为容差因子（,Tolerance Factor,）。,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。,2,）结构特点：,t=0.771.1,之间时，,ABO,3,化合物为钙钛矿结构；,t 1.1,时，以方解石或文石型存在。,A,、,O,离子半径比较相近，,A,与,O,离子共同构成立方密堆积。,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。,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：,A,1+,B,5+,O,3,，,A,2+,B,4+,O,3,，,A,3+,B,3+,O,3,复杂的：,A(B,1-x,B,x,)O,3, (A,1-x,A,x,)BO,3,(A,1-x,A,x,)(B,1-y,B,y,)O,3,钙钛矿结构中，,t =1.0,时形成对称性最高的立方晶格；当,0.96 t 1,时，晶格为菱面体,(Rhombohedral),结构（三方晶系）；当,t 0),、,La,0.8,Sr,0.2,Cu,0.15,Fe,0.85,O,3-,d,和,La,0.8,Sr,0.2,Cu,0.15,Al,0.85,O,3-,d,应为立方结构，制备条件、成分不同时，产物的晶相也会发生相应变化。,在,La,2/3,Ca,1/3,MnO,3,中，低价态,Ca,的掺入，使得,Mn,采取,+3,和,+4,的混合价态，从而满足钙钛矿结构的电价要求。在,Ca,2,CaUO,6,中，有,1/3,的,Ca,与,U,交替占据钙钛矿型晶格的,B,位。在,Ba,2,Bi,2,O,6,中，有一半,Bi,原子为,+3,价，另一半为,+5,价。,许多钛酸盐、锆酸盐、锡酸盐，如,A=Ca,、,Sr,、,Ba,，,B=Ti,、,Zr,、,Sn,时，满足钙钛矿的容差因子，具有钙钛矿结构。,ABO,3,中的,A,和,B,，不仅仅局限于,2,价和,4,价的离子，只要它们的电价总和为,6,，而且离子半径匹配，都有可能形成钙钛矿型化合物。,NaNbO,3,、,LaFeO,3,、,(K,1/2,La,1/2,)TiO,3,等，满足了电价条件和半径条件，都是具有钙钛矿结构的化合物。,3,）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,Ca,2+,Ti,4+,O,2-,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。,BaTiO,3,：钙钛矿型结构,立方晶系（大于,120,o,C,） ：,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。,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。,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,(ABO,3,),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,MO,2,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：,ca,c=a,ca,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,BaTiO,3,立方晶系,(001),方向,120,o,C,四方晶系,(011),方向,0,o,C,斜方晶系,(111),方向,- 80,o,C,三方晶系,立方晶系,四方晶系,斜方晶系,三角晶系,P,s,P,s,P,s,1. BaTiO,3,的相变,BaTiO,3,单晶的介电常数与温度的关系,Ti,4+,O,2-,间距大（,2.005A,），故氧八面体间隙大,因而,Ti,4+,离子能在氧八面体中震动。,T120,，,Ti,4+,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 Ti,4+,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.,BaTiO,3,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)O,3,(PZT);,Pb(B,1/3,Nb,2/3,)O,3,(B,=Mg,、,Co,、,Zn,、,Cd,、,Mn,、,Ni),；,Pb(B,1/2,Nb,1/2,)O,3,(B,=Sb,、,Y),；,Pb(B,1/2,W,1/2,)O,3,(B,= Mg,、,Co,、,Cd ),Pb(B,1/2,Te,1/2,)O,3,(B,= Mg,、,Ni,、,Co,、,Mn),；,Pb(B,1/3,Nb,2/3,)O,3,(B,= Mn,、,Ni),Pb(B,1/2,B,1/2,)O,3,(B,= Fe,、,Cr; B,=Nb,、,Ta),；,(Pb,1-x,La,x,)(Zr,y,Ti,z,),1-x/4,O,3,(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,：,Colossal Magneto-resistance,巨磁电阻效应（,Giant Magneto-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,t,Cu,的关系曲线,Co/Cu,多层膜的磁电阻与,Cu,层厚度,t,Cu,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（,Colossal Magnetoresistance,，,CMR,）,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,是铁磁性的必要与充分条件！,自发磁化理论,（直接交换作用）,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,E,ex,= -,2A,s,1,s,2,cos,f,CMR,效应的机理研究,典型的,A,2+,B,4+,O,3,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。,如果氧八面体层因,(AO,3,),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,LaMnO,3,、,BaMnO,3,、,SrMnO,3,、,CaMnO,3,、,LaCoO,3,和,SrCoO,3,化合物，,Mn,和,Co,分别有两种价态，,Mn,3+,(,或,Co,3+,),离子之间、,Mn,4+,(,或,Co,4+,),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,Mn,3+,和,Mn,4+,离子之间有一正的强交换作用,，如果,LaMnO,3,和,BaMnO,3,、,LaMnO,3,和,SrMnO,3,、,LaMnO,3,和,CaMnO,3,分别混合，形成,(La,1-x,A,x,)MnO,3,固溶体,(A,为,2,价离子,),，该化合物将具有,铁磁性,。原因在于,Mn,3+,和,Mn,4+,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，,Mn,3+,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,Mn,3+,占据的轨道和邻近,Mn,4+,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,Mn,3+,离子转移到邻近,Mn,4+,离子。因此这种材料不仅具有铁磁性，而且具有导电性。,从,Mn,3+,到,Mn,3+,+Mn,4+,混合价的过程,a. LaMnO,3,的电子轨道图,b.,从,Mn,3+,转变为,Mn,4+,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,C,n,H,m, CO,及,NO,x,同时进行氧化还原消除,组成,:,沉积在涂有,CeO,2,Al,2,O,3,的陶瓷载体上的,Pt, Pd,和,Rh,小颗粒贵金属,特点：高活性，高稳定性，抗,SO,2,中毒,限制：资源匮乏，价格昂贵,“,三效,”,催化剂,利用尾气中的,O,2,、,NO,x,为氧化剂，,CO,、,C,n,H,m,和,H,2,为还原剂，发生氧化还原反应转变为无害的,N,2,、,CO,2,、,H,2,O,排放。,以贵金属为主要活性组分的催化剂长期以来被认为是净化汽车尾气最有效的催化剂。但贵金属,资源紧缺、价格昂贵，而且由于贵金属易高温烧结和挥发,使得贵金属催化剂在热稳定性方面不占优势,。,人们一直在寻找具有高净化效率的不含贵金属的催化剂。,由于其组成和结构的灵活多变性,以钙钛矿化合物作为三效催化剂来取代传统的,Pt/Rh,基催化剂具有一定的优越性。,B,位离子的作用,由于钙钛矿型氧化物的催化活性强烈地依赖于,B,位阳离子的性质，在设计或改进钙钛矿型催化剂时,B,位阳离子的选择至关重要。通常选择的,B,位阳离子是,Co,、,Mn,和,Fe,，这是由于它们对氧化反应十分有效。,由,La,和过渡金属组成的钙钛矿型复合氧化物，对,CO,氧化的催化活性与,B,元素简单氧化物的催化活性顺序是一致的。由多种,B,位元素组成的钙钛矿型氧化物，在许多情况下会产生协同效应，但其催化活性与,B,位元素简单氧化物之间并不存在加和关系。尽管钙钛矿型氧化物还不能满足汽车催化剂实际应用的要求，但是大量实验已经证明钙钛矿型复合氧化物比各组分元素简单氧化物的催化活性要高。,当,B,位离子被不同价态的离子取代时，就会引起晶格空位或使,B,位的其它离子变价。,张华民等在研究,La,0.8,Sr,0.2,CoO,3,化合物时发现，当,Co,被,Fe,或,Cu,取代时，由于非常价态离子,Fe,4+,和,Cu,3+,的生成，催化剂表面的吸附氧明显增多。当用,Ni,或,Zn,取代时，由于非常价态离子,Ni,3+,、,Zn,3+,不易生成，表面吸附氧明显减少。,当用,Mn,取代时，由于,Mn,4+,为正常价态离子，而且满足了,Sr,2+,对,B,位离子电荷的要求，从而抑制了非常价态离子,Co,4+,的生成，结果表面吸附氧也明显减少。,Yasuda,等研究显示，在催化氧化,CO,的反应中，催化剂,LaMn,1-x,Cu,x,O,3,中的,Mn,和,Cu,表现出明显的协同效应，,LaMn,0.6,Cu,0.4,O,3,的催化活性比,LaMnO,3,或,La,2,CuO,4,要高得多，这是由于,Cu,对,CO,有活化作用，,Mn,对,O,2,有活化作用，两者共同促进了反应的进行。,钙钛矿结构增强了混合价态离子的热力学稳定性，体系从一种混合价态变到另一种混合价态，只需要很小的推动力，从而使反应活性增强。某些金属离子，例如,Cu,2+,、,Ni,2+,、,Co,3+,等，可以氧化成不稳定的高价态离子，可能充当了催化剂活性位的角色。近来发现，钙钛矿型氧化物具有储氧功能，这和,B,位原子的变价作用密切相关。,ABO,3,化合物对,CO,氧化的催化活性，受,B,位离子,d,电子结构的影响很大。,B,离子在其周围,6,个氧离子形成的八面体场的作用下，,d,轨道分裂成,t,2g,和,e,g,两组轨道。,CO,中的孤电子对进入金属离子的,e,g,(dz,2,),空轨道形成,s,配位键，同时金属离子,t,2g,轨道上的电子进入,CO,分子的,p,*,轨道形成反馈,p,配键。,s-p,键的形成削弱了,CO,分子中的共价键，使,CO,具有更高的活性。,LaFeO,3,对,CO,的催化氧化表现出较低的活性，是因为其中的,Fe,3+,处于高自旋状态，不能提供成对电子，对,CO,产生了反键作用。,一般认为,ABO,3,型化合物的催化活性主要由,B,位离子决定，,A,位离子主要通过控制活性组分,B,的原子价态和分散状态而起稳定结构的作用。,A,离子本质上不直接参与反应，但是若被价态不同的其他离子取代，就会引起,B,位离子价态的变化，使得不寻常价态离子变得稳定，同时也可能造成晶格缺陷，从而改变晶格氧的化学位。,II. A,位离子的作用,耿其博等采用柠檬酸络合法制备了,La,1-x,Sr,x,CoO,3,系列化合物。结果表明,随着,A,位,Sr,含量的增加，高价态的钴离子逐渐增多,催化剂的活性也逐渐增强。同时催化剂的抗硫性能也随之提高。对于非计量钙钛矿化合物,LaMnO,3+d,，当用,Sr,、,Ba,、,K,等取代,La,时，随着取代量的增加，化合物中多余氧含量,d,逐渐减小，催化剂的低温活性大大提高。,Falcon,等对,Sr,取代化合物,Pr,1-x,Sr,x,NiO,3,进行了中子衍射研究，用,Rietveld,方法对数据精修的结果显示，化合物中,Ni-O,键明显缩短,同时,d,能带中出现了空穴掺杂，由于,O,原子更容易从体相中移去，从而提高了化合物对,CO,氧化反应的催化活性。,在钙钛矿结构中，,A,离子和,O,2-,共同组成基本的密堆层，它们之间的结合具有离子键的特征，当,A,位离子被高价离子取代时，为满足电荷平衡，可能导致,2,种情况发生：一种是产生,A,空位，另一种是引起,B,离子价态降低。当,A,位离子被低价离子取代时，就会产生氧空位或者使,B,位离子价态升高。,例如：在,La,1-x,Sr,x,RhO,3,中有部分,Rh,变成了,+4,价态，而在,Sm,0.86,Sr,0.1,Mn,(III),0.62,Mn,(IV),0.34,O,3,中，同时存在,A,位取代、,A,位空缺、,B,位空缺和,B,位变价。多数过渡金属具有变价的能力，有利于满足,A,位离子变价取代的条件。,B,位离子价态的变化可能会引起配位数的改变，或者引起配位多面体结构的演变。,Rao,等认为，比较大的,A,位阳离子可以部分失去而形成空缺，这是由于,BO,3,形成的网络结构是比较稳定的，由于,B,位离子电荷多、半径小，如果,B,位出现空缺，从能量上看是不利的。事实上当阳离子空位增加时，晶格中的氧更容易迁移。,将贵金属和钙钛矿型化合物结合起来可以对贵金属起到很好的稳定作用，可以防止贵金属高温烧结时高温蒸发，防止贵金属与载体反应。加入少量的贵金属同样可以提高钙钛矿型催化剂的活性。,Guilhaume,等报道：由,Pd,取代的化合物,La,2,Cu,0.8,Pd,0.2,O,4,，在,NO,催化还原方面，可以和,Pt-Rh/CeO,2,-Al,2,O,3,媲美，对于,CO,和,C,3,H,6,的氧化则有更高的活性。,Voorhoeve,等研究表明：催化剂,La,0.8,K,0.2,Mn,0.9,Rh,0.1,O,3,在,CO,和,H,2,过量时，对,NO,的还原反应表现出很高的活性。金属,Ru,有较强的挥发性，且容易氧化生成剧毒的,RuO,2,和,RuO,4,，使得其应用受到限制。当,Ru,形成钙钛矿型化合物时，其稳定性得到显著提高。,III.,贵金属取代,Teraoka,等用,Cu,和,Ru,进行晶格取代而得到的催化剂,La,0.8,Sr,0.2,Co,1-2y,Cu,y,Ru,y,O,3,对,NO+CO,反应的催化活性与,0.5wt%Pt/Al,2,O,3,的活性相当。,Zhou,等的实验显示，,Pd,负载催化剂,Pd/LaFe,0.8,Co,0.2,O,3,比,Pd,取代催化剂,LaFe,0.77,Co,0.17,Pd,0.06,O,3,的三效活性要高得多，通过对,H,2,-TPR,图的研究发现，,Pd,的加入提高了钙钛矿型氧化物的还原活性，,Pd,负载催化剂,Pd/LaFe,0.8,Co,0.2,O,3,比,Pd,取代催化剂,LaFe,0.77,Co,0.17,Pd,0.06,O,3,更容易还原。,从晶体结构看，贵金属离子占据,B,位后，有利于离子的定域化分散，提高其抗高温烧结能力。由于贵金属的价态通常低于,ABO,3,中,B,位元素的正常价态，在晶体场的作用下，贵金属离子有较多的机会处于高氧化态，或者使晶体中产生较多的氧空位。一种公认的看法是，在钙钛矿型氧化物中，氧离子的迁移是通过氧空位进行的，氧空位的增加有利于氧化反应催化剂活性的提高。,Tanaka,等对,LaFe,0.57,Co,0.38,Pd,0.05,O,3,进行了,XPS,和,XAFS,分析。结果表明：在氧化气氛下，,Pd,以固溶体的形式存在于钙钛矿型晶格中，其结合能比,PdO,中的,Pd,还要高。在还原气氛下，,Pd,形成了合金，并以细小颗粒状态分散在表面。随着氧化气氛和还原气氛的交替变换，,Pd,的这两种存在形式也周而复始地变化着。,Nishihata,等也发现了类似的现象，随着氧化气氛和还原气氛的交替进行，,Pd,原子可逆地进入和逸出钙钛矿晶格，这种运动限制了,Pd,合金颗粒的长大，使得催化剂,LaFe,0.57,Co,0.38,Pd,0.05,O,3,长期保持较高的催化活性。,研究了负载有,0.1wt%Pt,的,La,0.5,Ce,0.5,MnO,3,催化剂用于,NO+H,2,+O,2,的反应。,Costa et al. J. Catal., 2001, 197:350-364,Reaction conditions: H=1.0%, NO=0.25%,W,=0.15g,He H et al. Appl. Catal B-Environ., 2001, 33: 65-80,将,Pd,引入到,La,1-,x,Sr,x,Co,0.8,Bi,0.2,O,3,晶格中，研究了,La,1-,x,Sr,x,MO,3,(x=0,0.8, M=Co,0.77,Bi,0.20,Pd,0.03,),一系列钙钛矿型氧化物的,TWC,催化性能。,Temperature (),Temperature (),Temperature (),Three way catalytic performance of,La,1-,x,Sr,x,MO,3,(),x,=0;(),x,=0.2;(),x,=0.4;,(),x,=0.6;(),x,=0.8 at =1.00 and SV=60 000h,-1,Catalytic activity for C,3,H,8,oxidation as function of coefficient,x,考察了,Co,系类钙钛矿,La,2-x,Sr,x,CoO,4,对,CO,和,C,3,H,8,的氧化反应活性。,杨小毛等,.,化工学报, 2004, 55(1): 1799-1803,利用凝胶,-,微晶法制备了,SrTiO,3,的纳米粉末，并利用该粉末对苯酚进行降解以检验其光催化性能,.,Ahuja S et al. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1996, 97: 99-107,Physica1 characteristics of,SrTiO,3,powders prepared through gel to crystallite conversion,2.,光催化反应,Kinetics of phenol degradation (all curve on UV irradiation; C,0,=2mM; PH6.5): , phenol;, phenol and H,2,O,2,;, phenol and NaClO,3,; , phenol and SrTiO,3,; , phenol and SrTiO,3,(SA-5) and 250mM NaClO,3,；, phenol and SrTiO,3,(SA-5) and 250mM H,2,O,2,；, CO,2,evolution corresponding to ;, CO,2,evolution corresponding to ,.,H,2,O,2,具有消除电子的能力，防止光生电子和空穴复合,对钽酸盐系列的,LiTaO,3, NaTaO,3, KTaO,3,的光催化活性进行了研究,.,Hideki Kato et al. Catal. Today, 2003, 78: 561-569,As the Ta-O-Ta angle is close to 180,0, band gap becomes smaller.,现状及展望,在催化氧化活性方面,其促进完全燃烧的速度还比不上铂,在多数情况下易被硫化物中毒,这就阻碍了它的应用。,制备及使用过程中各组份的相互作用、作用机理以及它们与钙钛矿及类钙钛矿金属氧化物的性能之间的关系等均有待进一步研究。,钙钛矿及类钙钛矿金属氧化物很有希望代替铂,尤其在环保、能源等诸多方面具有巨大应用潜力。我国贵金属资源较为缺乏,稀土资源丰富,过渡金属资源也不少,开发此种金属氧化物催化剂具有更大的实际意义。,本章小结,掌握钙钛矿结构,掌握钙钛矿结构中,A,、,B,、,O,原子的配位环境。,容差因子。,