铪掺杂钛酸钡基弛豫铁电体的局域结构修饰研究：BaTi0.6Hf0.4O3陶瓷的原子尺度机制与无铅材料设计启示

本文聚焦铪（Hf4+）等电子掺杂钛酸钡（BTO）弛豫铁电体，通过X射线吸收谱（XAS）和拉曼光谱等多技术联用，揭示了BaTi0.6Hf0.4O3在介电异常温度区间的局域结构畸变特征。研究首次将原子尺度结构修饰与极性纳米畴（PNRs）演化直接关联，为无铅弛豫体（relaxor）的理性设计提供了超越唯象模型的理论依据。

　　

Highlight

本研究通过温度依赖性实验揭示了等电子（Hf⁴⁺）掺杂钛酸钡（BTO）弛豫体BaTi_0.6Hf_0.4O₃的独特结构修饰现象。结合前期锡（Sn⁴⁺）掺杂BTO研究，首次阐明原子尺度结构变化对弛豫特性的决定性作用，为开发新型无铅弛豫体提供了关键理论支撑。

Introduction

弛豫铁电体（Relaxor FE）因其奇特的极化行为和功能特性备受关注。钛酸钡（BTO）基无铅弛豫体不仅环保，还具有高介电常数、多相变特性及室温可调性。研究发现，即使没有电荷无序（charge disorder），掺杂BTO仍能表现弛豫行为——这与传统铅基弛豫体（如PbMg_1/3Nb_2/3O₃）形成鲜明对比。这种特性源于极性纳米畴（PNRs）的动态演化。

Experimental

采用固相烧结法制备Hf40（BaTi_0.6Hf_0.4O₃）陶瓷，XRD精修确认其立方相结构（空间群221）。场发射电镜（FESEM）显示样品致密，平均晶粒尺寸1.12μm。室温拉曼光谱检测到显著振动模式，暗示局域结构偏离理想立方对称性。

Discussions and conclusions

介电谱分析发现三个特征温度：T_m（介电峰值）、T（介电色散起始点）和T’（PNRs冻结温度）。XAS数据在T附近显示配位几何突变，拉曼谱则反映声子模式软化——这些原子尺度的"结构颤抖"直接印证了PNRs的动态形成过程。该发现为理解弛豫体"结构-性能"关系建立了新范式。