Pb0.8Co0.2TiO3薄膜中氧空位对电子结构及多铁性能的影响

　　PbTiO₃由于其出色的铁电压电性能应用于存储器、传感器等器件中，并且在过去的几十年中引发了持续广泛的研究热潮。通过对PbTiO₃进行磁性元素的掺杂，使之成为拥有铁电、铁磁等性能的多铁材料，扩展了其应用范围。然而，氧空位作为一种材料中广泛存在的缺陷，其对PbTiO₃基多铁材料的性能影响仍缺乏系统深入的研究。北京科技大学物理化学系的一个研究组对PbTiO₃基多铁材料中氧空位对多铁性能的影响进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2013年5月10日的《Dalton Transaction》上。 

　　该研究组合成了不同氧空位含量的Pb_0.8Co_0.2TiO₃薄膜，并采用北京同步辐射装置（BSRF）4B9B-光电子能谱实验站的XPS技术探测了样品中氧空位的含量。结果显示氧气氛退火下，Pb_0.8Co_0.2TiO₃薄膜中氧空位得到很大程度的抑制，而氮气气氛退火的样品则表现出相对大量的氧空位。氧空位会捕获移动的自由电子,而且氧空位的能级比较接近导带,所以电场作用下被氧空位捕获的自由电子会被激活并且导电。因此，氧空位含量最高的铁电薄膜样品表现出最大的漏电流。 　　 

　　更重要的是，随着氧空位含量的升高，薄膜铁电性能单调减弱。PbTiO₃产生铁电性的根源是Pb 6s电子与O 2p电子轨道杂化及Ti 3d电子与O 2p电子轨道杂化的共同作用。在光电子能谱站获得的O K边X射线吸收谱和价带边光电子能谱，很好的阐释了在Pb_0.8Co_0.2TiO₃薄膜中，氧空位对Pb 6s电子与O 2p电子轨道杂化及Ti 3d电子与O 2p电子轨道杂化的抑制作用，而减弱的轨道杂化导致了铁电性能的降低。这为该材料在存储器等领域的应用提供了理论引导。 

　　薄膜的铁磁性能随着氧空位含量的升高而增强，这一现象可以用F中心交换理论来解释。由于氧空位对畴壁的定扎作用，影响了畴的运动和翻转，因此Pb_0.8Co_0.2TiO₃多铁薄膜的磁电耦合效应也随着氧空位的增多而减弱。