第七届青年地学论坛

ABO₃型钙钛矿材料因其多元的化学组成和丰富的物理、化学特性（如铁电性，压电性，磁性和超导）而受到来自地球科学、物理学、化学和材料学等多领域科学家的长期关注，并在电子元器件、新能源材料和催化材料中广泛应用。钽酸钾（KTaO₃），常温常压下属于立方晶系，空间群为Pm-3m，是一种较早列为具有铁电相变的材料。然而，早期常压变温实验发现，KTaO₃的介电常数随着温度降低而逐渐增加，至4K仍为立方钙钛矿结构，未发生铁电相变。
化学掺杂后，因原子自身大小不同诱发的结构应力，与掺杂元素电荷不均，都会间接或直接引起立方钙钛矿结构KTaO₃晶体内的正负电荷中心不重合，呈现出铁电性。这种化学掺杂虽然合成了我们需要的铁电材料，但是其内部不同程度的离子缺陷和化学不纯，会使不同批次合成的产品，其性能不一致，同时也造成人们对其铁电性的微观本质，认识不清。压力作为一个改变晶体结构的有效物理变量，具有与化学掺杂相似的作用，能够改变材料中阴阳离子的相对位置，从而得到全新的电学和磁学特性。
本研究，运用金刚石对顶砧装置（DAC），对立方钙钛矿结构KTaO₃开展常温高压原位拉曼和同步辐射X射线衍射实验。高压拉曼实验显示：0-10 GPa，KTaO₃的拉曼宽峰随着压力增加，不断向高波数方向移动，其拉曼强度没有明显减弱；10- 39 GPa，KTaO₃的拉曼峰开始宽化，最后完全消失；39-52 GPa，KTaO₃在325和760 cm^-1 2个位置出现新的拉曼尖峰。拉曼光谱随压力的变化结果表明，立方钙钛矿结构KTaO₃在~10 GPa开始出现局域原子的无序化，致使TaO₆八面体的对称伸缩振动、弯曲振动以及晶格振动峰宽化和弱化，~40 GPa后，局域无序化的原子重新组合，呈现一种新的高压相。同步辐射X射线衍射实验数据显示：0-10 GPa，衍射线条随压力增加向高角度漂移，没有明显宽化；10-34 GPa，衍射线条仍然明显，只是各线条宽化较明显；40.3-50 GPa，衍射峰(001)、(002)和(301)发生分峰。拉曼和衍射结果表明加压至10 GPa后，TaO₆八面体中的Ta原子相对O原子发生明显的相对移动，使其拉曼峰消失，衍射线条宽化，最后出现高压新相。研究结果弥补了KTaO₃高压结构与相变研究的缺失，对于理解立方KTaO₃原子局域无序化诱导铁电效应具有重要意义。
 

KTaO3; 铁电相变; 拉曼光谱; 同步辐射X射线衍射; 高压