铁电金属

       材料的铁电性起源于非中xin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特有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xin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。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xin对称相变。150 K 温度下 LiOsO3 由中xin对称 R-3c 结构连续相变到传统铁电材料中存在的非中xin对称的 R3c 结构。这一结果重新引起了人们对非中xin对称金属的重视。LiOsO3 材料物理机理的研究，以及新的非中xin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xin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。传统的钙钛矿型铁电材料 BaTiO3（BTO）先被作为掺杂对象进行研究。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。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。 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。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。