東京工業(yè)大學的研究小組發(fā)現(xiàn)，鎳酸鉍（BiNiO3）和鎳酸鉛（PbNiO3）的固溶體按照其比例的不同，會出現(xiàn)金屬間電荷轉(zhuǎn)移和極性-非極性轉(zhuǎn)換兩種不同原理導致的遇熱收縮負膨脹現(xiàn)象。

負熱膨脹材料用于制作零熱膨脹物質(zhì)，在光通信和半導體制造裝置等需要精準定位的場合，用來消除材料的熱膨脹。此次的研究成果已于5月29日發(fā)布在美國化學學會的期刊《Chemistry of Materials》的網(wǎng)絡(luò)版上。

研究背景

受熱膨脹性質(zhì)影響，大部分物質(zhì)的長度和體積都會隨著溫度的升高而增大。在光通信和半導體制造等要求精準確定位置的場合，輕微的熱膨脹也會產(chǎn)生不良影響。因此，業(yè)界一直嘗試利用體積會隨著溫度升高而收縮的“負熱膨脹”物質(zhì)，來補償（消除）熱膨脹。

通過此前的研究已經(jīng)知道，反鐵磁轉(zhuǎn)變、電荷轉(zhuǎn)移及鐵電轉(zhuǎn)變等相變是發(fā)生負熱膨脹的原因。不過未發(fā)現(xiàn)同一種類型的材料在不同的結(jié)構(gòu)下會表現(xiàn)出負熱膨脹的現(xiàn)象。

鎳酸鉍是一種電荷分布比較有特點的鈣鈦礦型氧化物，化學式為“Bi3+0.5Bi5+0.5Ni2+O3”。通過用稀土類元素及銻和鉛置換部分鉍，或者用鐵置換部分鎳，隨著溫度的升高，Bi5+和Ni2+之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，鎳由2價氧化為3價。此時，由于鎳和氧之間的鍵收縮，整個晶格會縮小約3%。另外，典型的鐵電材料PbTiO3（鈦酸鉛）隨著相態(tài)由具備極性結(jié)構(gòu)的鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢O性的順電相，體積也會縮小約1%。

研究成果

研究小組此次制作了鎳酸鉍和鎳酸鉛的固溶體“Bi1-xPbxNiO3”，通過實施第一性原理計算、產(chǎn)生二次諧波、利用大型同步輻射設(shè)施SPring-8的光束線BL02B2進行同步輻射X射線衍射實驗、對BL22XU的同步輻射X射線總散射數(shù)據(jù)進行PDF解析，以及利用BL09XU和BL47XU實施硬X射線光電子能譜實驗，詳細解析了晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)的變化。

解析發(fā)現(xiàn)，當0.05 ≤ x ≤ 0.25時，隨著鉍與鎳之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，會出現(xiàn)負熱膨脹現(xiàn)象，而當0.60 ≤ x ≤ 0.80時，與PbTiO3一樣，隨著晶體結(jié)構(gòu)由極性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢O性，也會發(fā)生負熱膨脹。另外，此前一直認為支持x=1.0的鎳酸鉛是不具備電極化的非極性化合物，但此次研究發(fā)現(xiàn)，鎳酸鉛與PbTiO3的鐵電相一樣，具有極性晶體結(jié)構(gòu)。