研究固态合成化合物K?.?La?.?TiO?的结构、光学、介电和电学性质及其在电子器件中的应用

《Ceramics International》：Study of structural, optical, dielectric, and electrical properties of solid-state synthesized compound K 0.5La 0.5TiO 3 for electronic device application

　　

摘要

本文采用传统固相反应法合成了K0.5La0.5TiO3（KLT）化合物。室温X射线衍射和Rietveld精修证实其具有立方钙钛矿结构（空间群Pm-3m），精修晶格参数为3.90628 ?，晶胞体积为59.6060 ?³。Williamson–Hall分析得出晶粒尺寸为134.52 nm，微应变为1.26 × 10^?3。FESEM表明其微观结构致密，平均晶粒尺寸为228.35 nm。拉曼光谱揭示的声子模式与A位K⁺/La³⁺混合占据相关的局部畸变一致。UV–Vis分析显示直接光学带隙为3.07 eV，Urbach能量为0.388 eV。介电、阻抗和交流电导率测量揭示了频率和温度依赖性响应，分别具有界面极化和热激活输运的特征，并且根据Jonscher幂律和关联势垒跳跃（CBH）导电机制对电导率谱进行了分析。KLT是一种结构稳定、无铅的钙钛矿钛酸盐材料，具有独特的光学和介电特性，适用于储能和光电器件领域。

引言

具有ABX₃化学式的钙钛矿结构陶瓷因其独特的性能和广泛的工业应用（包括存储器件、电容器、电开关、电机、超声功率系统和燃料喷射技术）而在材料科学、工程和陶瓷研究中受到广泛探索[1], [2], [3]。在ABX₃钙钛矿结构中，大阳离子占据A位，过渡金属占据B位，分别具有12重和6重氧配位。通过A位（碱金属/碱土/稀土元素）或B位掺杂离子，可以容纳偏离Pm-3m空间群理想立方结构的畸变，由于其成分灵活性而形成结构稳定的晶体[4], [5]。这种结构适应性使得其物理化学性质能够被系统地调控。B位过渡金属取代增强了催化活性[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。A位或B位掺杂产生氧空位，有助于增强氧传输和晶格功能[9], [10], [11], [12]。镧系元素形成了一类多用途的单钙钛矿（ABO₃），其中B位可以容纳3d过渡金属，并表现出广泛的电子、磁性和催化活性，包括Mott绝缘体LaTiO₃、LaVO₃、Jahn–Teller畸变LaMnO₃、催化活性LaCoO₃、LaFeO₃和LaNiO₃ [13], [14], [15], [16], [17]。在该系列中，B位选择、A位掺杂和氧空位控制是调控电子相、磁有序和催化性能的一般策略[16], [18]。

通过用其他离子取代A位或B位可以改变钙钛矿氧化物的性能，例如Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃（NBT）、Ba₀.₅Sr₀.₅TiO₃（BST）、K₀.₅Bi₀.₅TiO₃（KBT）和Li₀.₅La₀.₅TiO₃（LLT）。Teki等人研究了通过微波辅助固相反应路线合成的受主掺杂Na_0.5Bi_0.5TiO₃体系的结构和电学性能[19]。类似地，Majhi等人报道了通过传统固相反应技术制备用于微波应用的Ba_0.5Sr_0.5TiO₃陶瓷的设计与开发[20]，而Wang和Wen研究了无铅K_0.5Bi_0.5TiO₃-BiFeO₃陶瓷的铁电和介电性能[21]。此外，Mahfuz等人研究了通过固相反应法合成的Ga掺杂Li_0.33La_0.56TiO₃固体电解质的结构变化和离子电导率[22]。

对于NBT和KBT，已分别研究了单斜和四方结构。迄今为止尚未有关于其光学性质或介电测量的详细分析报道。LLT的光学、结构和电导率性质尚未被详细研究[23], [24]。此外，BST的介电性质已被研究[25]，但没有拉曼研究的报道[26]。对于K_0.5Bi_0.5TiO₃，Zhao等人报道了具有立方对称性的分级纳米片的水热合成，并研究了其光催化析氢性能。表面酸化产生了结晶KLT核/非晶TiO₂壳结构[27]。

目前的研究采用传统方法分析该材料的特性，包括结构、形貌、介电和交流电导率性质。除此之外，该报告还介绍了阻抗和模量的温度和频率行为。此外，还进行了包括拉曼和UV-Vis光谱在内的光学测量，以分别确定振动带和能隙。此外，还分析了与电导率相关的导电机制。

章节片段

实验分析

目标化合物KLT通过高温固相混合氧化物路线合成。原材料K₂CO₃、La₂O₃和TiO₂（CDH化学试剂，纯度等级高于99%）按照平衡化学方程式的化学计量比称取 $\left(0.25K_{2}C{O}_3+0.25{La}_2{O}_3+Ti{O}_2=K_{0.5}{La}_{0.5}Ti{O}_3+0.25C{O}_2\right)\text{.}$ 将前驱体首先在玛瑙研钵中混合，手动干磨并充分混合2小时，直至获得均匀的混合粉末。然后将混合物

结构分析

图1(a)展示了合成的KLT陶瓷的室温XRD图谱以及使用FullProf Suite进行的Rietveld精修结果。尖锐、明确的衍射峰的存在证实了高度结晶的单相钙钛矿的形成，没有检测到可识别的第二相，表明目标成分成功合成。物相鉴定和结构匹配使用（ICSD 76182）进行，证实了结晶

结论

钙钛矿钛酸盐K₀.₅La_0.5TiO₃（KLT）通过固相反应路线成功合成。Rietveld精修证实了单相立方对称（空间群Pm-3m），a = 3.90628 ?，晶胞体积59.6060 ?³。在W-H分析中，晶粒尺寸为134.52 nm，微应变为1.26 × 10^?3，结晶度为66.05%。Goldschmidt容忍因子（t ≈ 1.02）揭示了立方钙钛矿骨架的稳定性。微观结构被发现是致密的

CRediT作者贡献声明

Pipsa Plabani Behera：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，资源，数据管理，概念化。L. Biswal：写作 – 审阅与编辑，指导。Sutanu Mangal：指导，软件，资源。Niladri Roy：可视化，验证。M. Das Pattanayak：资源，方法。S.S. Hota：写作 – 审阅与编辑，指导。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据合理要求向通讯作者索取。

资助

无资助。

利益冲突声明

作者确认未披露任何可能影响本文所提研究的财务利益冲突或重大个人关系。

致谢

作者衷心感谢主办方KIIT大学布巴内斯瓦尔和印度DRDO在进行一些表征方面提供的宝贵支持。

Pipsa Plabani Behera|L. Biswal|Sutanu Mangal|Niladri Roy|M. Das Pattanayak|S.S. Hota