Nd/Gd铁氧体(RFeO3 )的固相合成与多尺度表征：结构-性能关联及其在光电领域的应用潜力

本研究通过固相反应法成功制备了NdFeO3 和GdFeO3 正交铁氧体，系统探究了其结构（XRD/SEM）、光学（UV-vis）及介电性能（DS）。发现材料具有2.87-2.95 eV间接带隙和显著介电常数，为开发无铅/无铋的光催化与电子器件提供了新选择。

　　

在能源危机和环境污染的双重挑战下，开发新型功能材料成为解决可持续发展问题的关键。传统铅基材料如PbTiO₃
虽具有优异介电性能，但其生物毒性制约了应用。稀土正铁氧体RFeO₃
因其独特的4f电子构型和FeO₆
八面体可调性，在光电转换和电子器件领域展现出替代潜力。然而，Nd³⁺
与Gd³⁺
离子半径差异对材料性能的调控机制尚不明确，制约了其精准应用。

针对这一科学问题，国内研究人员在《Next Materials》发表了关于Nd/Gd铁氧体的系统性研究。通过固相反应法合成样品后，采用X射线衍射(XRD)解析晶体结构，扫描电镜(SEM)观测微观形貌，紫外可见光谱(UV-vis)测定光学带隙，并利用介电谱(DS)分析温度/频率依赖性。

结构表征显示：

1. 晶体结构：NdFeO₃
   和GdFeO₃
   分别属于Pnma和Pbnm空间群，晶胞参数差异源于Gd³⁺
   较小离子半径导致的八面体畸变。
2. 微观形貌：SEM显示NdFeO₃
   平均晶粒尺寸(580 nm)较GdFeO₃
   (373.5 nm)大55.22%，EDX证实元素分布均匀。
3. 光学性能：Tauc图谱计算间接带隙分别为2.87 eV和2.95 eV，归因于Gd的4f⁷
   电子构型对能级结构的微调。

介电性能研究发现：

1. 频率响应：介电常数随频率升高而降低，符合Maxwell-Wagner界面极化机制。
2. 温度异常：GdFeO₃
   在145-155°C和310-325°C出现双介电峰，对应自旋重取向和反铁磁-顺磁相变；NdFeO₃
   则在445°C呈现单峰异常。
3. 损耗机制：GdFeO₃
   的tanδ在300°C后急剧上升，与氧空位迁移活化相关。

该研究首次阐明：

1. 离子半径差异通过改变Fe-O-Fe键角（NdFeO₃
   为151.62°，GdFeO₃
   为141.20°）调控电子结构；
2. Gd³⁺
   的4f⁷
   半满壳层使其介电常数(250.84@1 kHz)显著高于NdFeO₃
   (74.94@1 kHz)；
3. 材料在可见光区无吸收的特性适合作为透明电极候选。

这项研究为设计无铅光电材料提供了理论依据，其揭示的"稀土离子-结构畸变-性能调控"关联规律，可拓展至其他钙钛矿体系。未来通过掺杂优化氧空位浓度，有望进一步提升其在固态燃料电池(SOFC)和磁致冷等领域的应用性能。