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鈣鈦礦結構鐵性功能材料/先進功能材料叢書 版權信息
- ISBN：9787030714008
- 條形碼：9787030714008 ; 978-7-03-071400-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鈣鈦礦結構鐵性功能材料/先進功能材料叢書 內容簡介
本書系統論述了鈣鈦礦結構鐵性功能材料的物理、化學與材料學基礎，介紹了數據科學范式新材料設計方法以及相關研究進展。本書以量子力學為基礎、以結構相變為中心，基于材料數據的不同內涵與層次梳理了材料性質與化學組成和結構、制備工藝參數以及使役環境條件間的關系，重構了鈣鈦礦結構鐵性功能材料知識的邏輯框架。全書共十章，主要內容可分為三個模塊：模塊（第2章）以鈣鈦礦結構材料為例討論了數據科學范式材料設計方法；第二模塊（第3～第5章）討論了原子密堆系統的組成、結構與實現，包括原子結構、原子間的結合和晶體結構，陶瓷的顯微結構與斷裂力學性質，陶瓷的制備原理與工藝設計；第三模塊（第6～第10章）分別討論了鈣鈦礦結構材料的鐵電、壓電、鐵磁、磁電、光伏和光催化等功能特性、典型材料及其應用舉例。 本書可用作凝聚態物理、電介質物理、材料物理與化學、功能材料等專業的教學參考書，也可供鈣鈦礦材料及其相關領域人員參考。
鈣鈦礦結構鐵性功能材料/先進功能材料叢書 目錄
目錄
叢書序
序
前言
第1章緒論1
1.1鈣鈦礦材料1
1.2鐵性材料2
1.3本書內容安排4
第2章數據科學范式材料設計6
2.1材料研究范式6
2.2對稱性原理15
2.3物理預測設計模型21
2.4材料的預測式設計55
第3章材料的組成與結構65
3.1原子與元素65
3.2原子間的結合與配位構型的穩定性70
3.3晶體的對稱性75
3.4鈣鈦礦結構80
3.5材料設計與結構驗證90
第4章陶瓷顯微結構與斷裂力學95
4.1陶瓷的顯微結構95
4.2負熱膨脹與殘余張應力97
4.3陶瓷斷裂力學101
4.4顯微結構調控陶瓷增韌109
第5章陶瓷材料制備基礎113
5.1多學科視角材料制備工藝113
5.2熱力學與動力學117
5.3粉料制備121
5.4陶瓷燒結128
5.5陶瓷工藝設計140
第6章鐵電材料及其應用143
6.1鐵電極化143
6.2鐵電相變151
6.3鐵電相變的微觀圖像165
6.4鐵電材料的性能與應用173
第7章壓電材料及其應用183
7.1壓電效應與壓電陶瓷183
7.2鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷192
7.3無鉛壓電陶瓷208
7.4高溫壓電陶瓷215
第8章鐵磁材料及其應用224
8.1物質的磁性224
8.2電子交換作用230
8.3鐵磁性材料248
8.4自旋電子學265
第9章磁電材料及其應用269
9.1鐵電序與自旋磁序共存269
9.2磁電效應277
9.3雙鈣鈦礦多重鐵性體283
第10章光電材料及其應用291
10.1透明導電氧化物291
10.2光伏材料296
10.3鈣鈦礦氧化物催化劑312
參考文獻321
叢書序
序
前言
第1章緒論1
1.1鈣鈦礦材料1
1.2鐵性材料2
1.3本書內容安排4
第2章數據科學范式材料設計6
2.1材料研究范式6
2.2對稱性原理15
2.3物理預測設計模型21
2.4材料的預測式設計55
第3章材料的組成與結構65
3.1原子與元素65
3.2原子間的結合與配位構型的穩定性70
3.3晶體的對稱性75
3.4鈣鈦礦結構80
3.5材料設計與結構驗證90
第4章陶瓷顯微結構與斷裂力學95
4.1陶瓷的顯微結構95
4.2負熱膨脹與殘余張應力97
4.3陶瓷斷裂力學101
4.4顯微結構調控陶瓷增韌109
第5章陶瓷材料制備基礎113
5.1多學科視角材料制備工藝113
5.2熱力學與動力學117
5.3粉料制備121
5.4陶瓷燒結128
5.5陶瓷工藝設計140
第6章鐵電材料及其應用143
6.1鐵電極化143
6.2鐵電相變151
6.3鐵電相變的微觀圖像165
6.4鐵電材料的性能與應用173
第7章壓電材料及其應用183
7.1壓電效應與壓電陶瓷183
7.2鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷192
7.3無鉛壓電陶瓷208
7.4高溫壓電陶瓷215
第8章鐵磁材料及其應用224
8.1物質的磁性224
8.2電子交換作用230
8.3鐵磁性材料248
8.4自旋電子學265
第9章磁電材料及其應用269
9.1鐵電序與自旋磁序共存269
9.2磁電效應277
9.3雙鈣鈦礦多重鐵性體283
第10章光電材料及其應用291
10.1透明導電氧化物291
10.2光伏材料296
10.3鈣鈦礦氧化物催化劑312
參考文獻321
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鈣鈦礦結構鐵性功能材料/先進功能材料叢書 節選
第1 章 緒論 鈣鈦礦(perovskite)是以俄羅斯地質學家佩羅夫斯基(Perovski)的名字命名的礦物。狹義鈣鈦礦是指鈦酸鈣(CaTiO3)礦物，廣義鈣鈦礦指的是具有鈣鈦礦結構、化學通式為ABX3 的化合物。鈣鈦礦化合物種類繁多、結構多變、性能豐富，在地質、電子、信息、光學、催化、能源等許多領域都有廣泛的應用[1-5]。 1.1 鈣鈦礦材料 鈣鈦礦結構由BX6八面體在三維空間共頂點連接而成，大尺寸離子位于十二面體間隙(A 位)、小尺寸離子位于八面體間隙(B 位)。A位和B位既可以是一種離子，也可以是遵守電中性原則的一組離子；由于A 位、B 位和X 位可容納不同種類的離子，通過改變化學組成能夠人工創制不同功能的新材料。除了共頂點連接，氧八面體還可以共棱連接成氯化鈉結構、共面連接成鈦鐵礦結構、共角連接成鎢青銅結構或焦綠石結構，或者與其他結構單元交替排列成鉍層狀結構、尖晶石結構等類鈣鈦礦。 硅酸鹽鈣鈦礦氧化物(MgSiO3)是地球下地幔的主要組成部分，是地球上*豐富的礦物。它的重要性現已擴展到外星球，硅酸鹽鈣鈦礦也是火星地幔的主體組成部分[3]。由于人造鈣鈦礦化合物具有晶格、電荷、自旋、軌道等多種物理自由度，不同自由度之間還可能存在交叉耦合作用，因此，鈣鈦礦材料具有表1-1 所示的豐富多彩的物理化學性質。與此同時，材料合成與制備技術的發展為鈣鈦礦材料帶來了超結構、薄膜、異質結、納米結構等新維度，通過摻雜、應變等不同手段也可以調控鈣鈦礦材料的物理化學行為，鈣鈦礦材料的功能因此更加多變與豐富。 表1-1 鈣鈦礦材料常見的功能特性及其典型體系一覽表 從鈦酸鈣礦物開始進行化學組成設計，已人工合成制備出5000多種鈣鈦礦化合物。從中發現了介電材料、壓電材料、電致伸縮材料、正溫度系數(PTC)熱敏電阻材料、鐵電材料、熱釋電材料、微波介質材料，并獲得大規模工業應用。近年來，太陽能光伏材料、光催化材料、固體燃料電池材料、巨磁電阻材料、鐵磁半導體、鐵磁電材料等的研究也方興未艾。 1.2 鐵性材料 鐵電性、鐵磁性、鐵彈性是材料中常見的鐵性(ferroic)性質。如圖1-1 所示，一個鐵性晶體具有一個穩定的、可在共軛場作用下反轉的鐵性序參量:自發電極化可在電場下反轉、自發磁矩可在磁場下反轉、自發應變可在應力場下反轉。多重鐵性(multiferroic)是指化合物中同時存在兩種或兩種以上的鐵性序參量，不同鐵在鐵性體中，電場(E)、磁場(H)和應力場(T)分別控制電極化強度(P)、磁化強度(M)和應變(S)。在多重鐵性體中，可能存在壓電效應、磁電效應、壓磁效應及其逆效應性序參量之間還可能存在交叉耦合作用。例如，鐵電鐵彈共存的多重鐵性晶體具有力電交叉耦合作用——壓電效應或電致伸縮效應；鐵磁鐵彈共存的多重鐵性晶體可能有磁力交叉耦合作用——壓磁效應或磁致伸縮效應；鐵電鐵磁共存的多重鐵性晶體可能有磁電效應[6，7]。電場Ej、磁場Hj 和應力Tkl 為強度量，電極化Pi、磁化強度Mi和應變Sij為共軛廣延量，它們之間的耦合系數見表1-2。 圖1-1 鐵性體和多重鐵性體的相控制。 表1-2 幾種重要的張量物理性質及其定義[8] 鈣鈦礦氧化物是鐵電、磁性、多重鐵性功能材料家族中的重要成員。鈣鈦礦結構是鐵電與磁性材料晶體結構的*大交集，通過組成元素設計可以發展多種多樣的鐵性功能材料。高溫時鈣鈦礦氧化物大都是點群m3m 的立方相。隨溫度或者其他熱力學邊界條件變化，當漲落與某種鐵性序參量的大小可比時，晶體對稱性自發破缺發生結構相變，低溫有序相可以是鐵彈相、鐵電相、鐵磁相或者多重鐵性相。圖1-2 簡略描述了介電鐵電磁性鐵磁多重鐵性磁電等不同種類材料之間的關系。狹義的多重鐵性體指的是磁性鐵電體，它們中僅一小部分具有磁電效應。 圖1-2 介電鐵電磁性鐵磁多重鐵性磁電材料的關系[9] 從信息的感知、存儲、處理、反饋到環境監測、物聯網、醫學診斷、健康護理、過程監控等都離不開鈣鈦礦結構鐵性功能材料。根據化學組成元素不同，鈣鈦礦多重鐵性晶體可具有壓電、壓磁、磁致伸縮、磁電、電光、磁光、彈光、磁電阻等交叉耦合效應，既為材料理論研究提供了巨大的空間，又可以滿足不同的工程應用需求。 例如，鐵磁電體——具有一級磁電效應的鐵磁鐵電多重鐵性體，它們不僅具有鐵電體、鐵磁體的特性，磁電效應還允許磁場反轉鐵電極化或者電場反轉(旋轉)自發磁矩，可用于研制電寫磁讀高密度非易失存儲器、電場調控自旋電子學元件、磁電傳感器等新型器件；鐵磁鐵電多重鐵性體在共振回路中可用單一元件取代分立的電容和電感元件，進一步縮小移動智能終端的體積和功耗。到目前為止，室溫鐵磁鐵電多重鐵性材料、室溫鐵磁電材料仍然是一個“零”問題[9-13]。為了盡快發現實用的鐵磁電功能材料，需要發展預測式材料設計方法，尤其是反向材料設計方法——設計鐵磁序和鐵電序室溫共存并具有耦合特性的鈣鈦礦氧化物的化學組成。 1.3 本書內容安排 工程實踐中，人類經常面臨的新材料問題可以用急需的找不到、找到了又做不出、能做出但做不好三句話來概括，它們從不同層面描述了材料研究的困境與挑戰。 “急需的找不到”屬于材料發現與材料設計方法層面的問題，重點在于設計具有目標功能原子系統的化學組成與幾何堆積狀態。時至今日，試錯式(trialanderror)仍然是材料研發的主流方式。近年來，數據科學范式開始引入材料研究領域，預測式按需設計新材料研究方式呼之欲出。本書以鈣鈦礦結構材料為例，應用數據科學范式，發展了基于物理模型的新材料預測式設計方法，實現了室溫鐵磁半導體、室溫鐵磁鐵電多重鐵性體等新材料的發現。 “找到了又做不出”源于對材料的制備原理與方法認知欠缺。在自然界，對于那些熱力學穩定的材料體系才可以采用常壓高溫固相反應方法進行合成與制備，熱力學亞穩相需要高溫高壓等特殊條件進行制備；對于那些難熔脆性材料需要粉末冶金(陶瓷)工藝，而不能應用鑄造、切削等工藝進行加工成型。材料制備方法與工藝過程必須與材料對象相適應，不了解材料特征無從找到合適的制備加工方法。 “能做出但做不好”與材料制備加工過程的管理與控制水平有關。由于原子擴散動力學過程的不可復制性，需要系統組織與協調材料生產的原料、方法、設備、人力、監測“5M”要素，才能有效進行顯微結構等原子堆積狀態的裁剪、穩定地生產出高品質的材料制品。逆向工程很難看到材料制備的動力學過程及其5M 決策組合，不進行再創造是很難“仿制”出高品質材料產品的! 運用數據科學范式，人們需要在不斷滾動的材料數據生產過程中，采用數據科學的觀點、原理和方法來挖掘材料數據之間的因果關系和關聯關系，建立相應的規律與數據庫，據此進行新材料的預測和驗證工作。從系統工程出發，材料數據分屬于材料的化學組成、相結構、顯微結構、性質、制備、使役六個不同的內涵。進行數據挖掘時必須對材料數據進行分層分類梳理，在領域知識指導下定義合適的描述符和分類數據集，運用機器學習等人工智能方法建立相關的物理模型或者統計算法模型。在創制集成自旋、軌道、電荷、晶格等多種物理自由度并期待呈現交叉作用的多功能鈣鈦礦新材料時，需要材料研究范式變革、需要對現有物質存在知識進行顛覆性再認知，唯有如此才能加速新材料的發現與應用進程。 根據材料數據的不同內涵與層次，本書主要內容分為三大模塊: **模塊(第2 章)以鈣鈦礦高溫壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷、鐵電半導體、室溫鐵磁半導體和多重鐵性體為例，討論小數據挖掘驅動的新材料預測式設計與驗證研究范式。 第二模塊討論原子密堆系統的組成、結構與實現。從系統工程觀點看，材料是按一定幾何方式堆積的原子系統。第3 章將討論原子結構、原子間的結合和晶體結構；第4 章討論陶瓷的顯微結構與斷裂力學性質；第5 章討論陶瓷的制備原理和方法——相結構與顯微結構的實現與調控。 第三模塊討論鈣鈦礦材料的幾種典型性質。材料性質建立了材料的使役與材料的組成和結構之間的映射，從材料發現到工程應用的快速實現離不開材料性質與材料的組成和結構、與制備工藝參數、與使役環境條件間的量化關系與數據庫。材料性質與制備工藝之間的關系已在第5章討論。第6至第10章分別討論鐵電、壓電、鐵磁、磁電、光伏和光催化等不同性質、典型材料及其應用舉例，該部分包含了材料性質與組成和結構間的關系、材料性質與使役環境條件間的關系兩條主線。 關于本書的使用，如果已具備一些鈣鈦礦材料的相關基礎，可以直接進入**模塊的閱讀、并根據興趣和需要選讀第二模塊和第三模塊的相關內容；如果初次接觸鈣鈦礦材料，建議首先閱讀第二模塊、根據興趣選讀第三模塊的內容后再進入**模塊的研讀。 第2章 數據科學范式材料設計 運用實驗觀測范式，新材料從發現到應用的研發周期統計平均為18年。為了大幅縮短研發周期并降低成本，材料研究需要范式變革。數據科學范式的興起正在使新材料的預測式按需設計成為現實。 2.1 材料研究范式 科學研究始于觀測、跟隨直覺和邏輯，構建量化理論以解釋所觀察到的現象和數據，再根據新的觀測進一步完善理論。科學研究范式(paradigm)是指科學研究群體賴以運作的理論基礎和實踐規范，是關于研究的一系列基本觀念、方法和規范。人類在對自然的認知與利用過程中，已發展出實驗觀測、理論建模、計算仿真三種范式。實驗觀測范式以記錄和描述自然現象和實驗現象為主，采用的是歸納法；理論建模范式是由觀察現象經邏輯推論得到某種理論，采用的是演繹法，不再局限于描述經驗事實；計算仿真范式是以計算機為工具、通過模擬仿真以揭示自然和物質的演化規律。在材料研究歷史中，大都以試錯的方式提出新思想新方案，數據分析多采用從機制(mechanism)到模型(model)再到理論(mechanics)，從下到上的事后解釋思維，對物質存在原理的認知難免碎片化、局部化，抑或似是而非。例如，室溫鐵磁電體和鐵磁半導體之所以難發現就受“鐵電性與磁性在鈣鈦礦氧化物中化學不兼容(exclusion)[12]、化學禁忌(contraindication)[13]”以及“鐵磁性和半導性源于不同的晶體結構和化學鍵[14]”等矛盾認知的束縛，人們轉而尋找新機制以期繞開上述障礙。隨著計算機與人工智能技術的快速發展，數據科學范式應運而生，目前已引入材料研究領域[15，16]。為了早日發現室溫鐵磁半導體和鐵磁電體，與其繞開矛盾不如變革材料研究范式、重新審視現有認知，以期更接近物質存在的本質。 2.1.1 材料研究范式進化 2011年，美國總統奧巴馬宣布啟動材料基因組計劃(Materials GenomeInitiative，MGI)。MGI的總目標擬通過集成計算、理論與實驗方法，將材料從發現、開發、制造到使用的周期縮短一半，將成本降為原來的一小部分[17，18]。MGI倡導的研究理念、關鍵技術、研究目標等要素及其關系見圖2-1。 為了因應不同的工程需求，材料的物理化學特性需要進行相應的調整。材料
鈣鈦礦結構鐵性功能材料/先進功能材料叢書 作者簡介
褚君浩，博士，半導體專家，中國科學院院士，中國科學院學部主席團成員，中科院上海技術物理研究所研究員，華東師范大學信息學院院長，《紅外與毫米波學報》主編，上海市科協副主席。主要從事半導體和紅外物理研究，曾經獲得國家自然科學獎三次，發表論文500余篇，專著4部，編著10部。曾經擔任上海市紅外與遙感學會理事長、上海市科普作家協會理事長、靠前光學工程學會（SPIE）理事，以及第十、十一屆全國人大代表、上海市政府參事。2014年被評為靠前全國很好科技工作者。
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