陳小兵

陳小兵，1982年畢業於原揚州師範學院物理系，獲理學學士學位；1987年至1988年在加拿大McMaster大學工程物理系學習，獲得工學碩士學位，1997年至2000年在南京大學物理系“凝聚態物理”專業學習，獲得理學博士學位。2003年7月至9月、2005年9月至2006年3月又兩度赴加拿大McMaster大學工程物理系進行學術訪問，2004年4月到韓國嶺南大學材料工程系進行學術訪問，2008年赴台北高雄師大、台灣中山大學和香港理工大學進行學術交流。

非易失性鐵電存儲器材料的研究；高溫無鉛壓電陶瓷及薄膜的研究；層狀磁電多鐵單相材料的研究。

①鈣鈦礦結構鐵電材料的極化開關特性、疇界動性和疇結構

用積分電流法測量了SBT、PZT薄膜材料的極化開關特性，系統研究了薄膜製備工藝、薄膜的幾何尺寸對極化反轉過程的影響，其中對電極面積影響開關時間的研究表明，該電極面積效應是由於開關過程中脈衝電源對薄膜樣品表面輸運電荷出現延遲造成的，屬於非本徵性質，指出了要進一步研究鐵電薄膜中的本徵的成核、生長速度，必須使薄膜電容器的電極面積充分小（約10–8cm2），為獲得高速鐵電薄膜存儲器提供了理論依據；

用運動Ising模型和Monte Carlo方法對鐵電多晶薄膜的本徵開關特性進行了模擬，模擬中考慮了電偶極子的三維次近鄰相互作用、不同晶粒中電偶極子的耦合強度、晶粒尺寸大小，電極面積和點缺陷等因素，擬合結果表明，電極面積對本徵開關特性沒有明顯影響，並可用點缺陷起著成核中心的結果解釋了氬氣氛退火使極化開關時間減小的現象；

測量了不同頻率下PZT陶瓷的介電特性與溫度的關係和低頻下的力學損耗譜，用疇界粘滯運動的動力學方程和相變溫度的彌散性估算了PZT陶瓷材料中與開關特性密切相關的疇界釘扎力常數和粘滯係數；

用TEM對PZT中的疇結構進行了觀察，發現90°疇界在電子束照射下首先在界面處成核並以forward方式生長。

② 摻雜和共生對鉍系層狀鈣鈦礦鐵電材料的改性研究

A位摻雜：通過用鑭系元素La，Nd，Dy，Sm等對鉍系層狀鈣鈦礦材料Bi4Ti3O12，SrBi4Ti4O15和Sr2Bi4Ti5O18進行A位摻雜，發現如下共同規律：

（1）所有La系元素摻雜后的鉍層狀材料，其剩餘極化均表現出先增大，后減小的共同規律

（2）所有材料的居里溫度在摻雜后均出現線性下降，部分材料的居里溫度降低有拐點，並對應其他性能的突變；

（3）剩餘極化出現拐點時，材料的另外一些性能也相應出現拐點；

（4）薄膜材料的抗疲勞性能在A位摻雜后均得到改善。

材料剩餘極化增加的原因主要是摻雜抑制了氧空位的濃度，減低了氧空位的動性，而摻雜同時也導致了晶格畸變程度的減小以及破壞了鉍氧層的絕緣層作用和空間電荷補給作用，這些因素的共同作用導致了剩餘極化出現先增加后減小的共同規律。通過對La摻雜SrBi4Ti4O15陶瓷樣品的Raman光譜研究，發現La離子在鉍氧層和類鈣鈦礦層存在位置選擇性，而XPS能譜的分析顯示A位摻雜確實降低了樣品中的氧空位濃度。

B位摻雜：通過用高價元素V、Nb、Mo和W等對Bi4Ti3O12、SrBi4Ti4O15薄膜和陶瓷材料的B位摻雜，發現高價施主摻雜能顯著提高材料的剩餘極化，提高材料的耐壓能力，同時對材料的熱穩定性沒有明顯損害，這主要是因為摻雜一方面抑制了氧空位的濃度，一方面降低了氧空位的動性，從而導致可翻轉疇的增加所致。在V摻雜Bi4Ti3O12陶瓷的X射線衍射譜中發現，隨摻雜量的增加，在V=0.03時，樣品的微結構發生從正交到四方的轉變，這使得材料中微應力最小，從而改善了材料的性能。在V摻雜SrBi4Ti4O15陶瓷的鐵電性能測量中發現，隨摻雜量的增加，樣品耐壓能力顯著增加。在V摻雜SrBi4Ti4O15薄膜的抗疲勞測試中，我們發現適量V摻雜顯著改善了薄膜在低頻下的抗疲勞性能。

組構共生結構：利用Bi4Ti3O12和SrBi4Ti4O15兩種類鈣鈦礦層數相差1層的材料組成具有特殊超晶格結構的材料，通過對其A、B位進行等價和高價摻雜，分別研究了陶瓷材料和薄膜的剩餘極化和疲勞性能隨摻雜量的變化關係，得出適量的鑭系元素A位等價摻雜能有效提高抑制材料中的氧空位濃度，提高剩餘極化值。B位高價摻雜在提高材料剩餘極化的同時，還能顯著改善材料在低頻下的抗疲勞性能。通過利用共生結構居里溫度和晶格參數與其組元材料之間的關係，計算了La摻雜量在兩種組元之間的分佈。

③MBi4Ti4O15壓電陶瓷及多鐵材料磁電性能的研究

以4層類鈣鈦礦層基地的無鉛壓電陶瓷能適用於高溫壓電器件。我們以M=Sr，Ca，Ba等材料為改性原材料，通過（1）以La系元素La，Nd，Sm，Dy等和非La系元素如In，Ga等對它們進行A位摻雜，（2）利用W，Nb，V，Mo等對它們進行B位高價取代，（3）通過組構Bi4Ti3O12-MBi4Ti4O15共生結構來提高它們的壓電性能。我們還通過採用多次預合成等工藝手段來提高它們的綜合壓電性能，取得一些進展，已遞交兩項國家發明專利，我們所提出的方法對壓電係數的提升極為明顯，對壓電性能改善的機理研究合理。首次用實驗數據證實了摻雜所導致的在4層及其共生結構中氧缺位的減少，首次製備了性能優良的4層鉍層狀薄膜，顯示出優良的低頻抗疲勞特性，首次用多次預合成的方法製備出了取向陶瓷。

④單相多鐵性層狀磁電材料的製備和性能研究

注意到多相複合磁電材料的研究思路主要是讓鐵電性和鐵磁性由不同的材料單元來激發，藉助於他們之間的乘積效應來獲取好的磁電性能。基於此考慮，結合我們長期在鉍系層狀鈣鈦礦鐵電材料研究領域所積累的經驗，我們設想通過適當的方式（物理的和化學的）將具有較好鐵磁性能的FeO和CoO單元植入鉍層狀材料的類鈣鈦礦層中形成新型層狀結構磁電材料，充分利用Fe、Co之間的耦合來產生較大的剩餘磁化。

研究工作概括為兩方面：其一，是製備BiFe0.5Co0.5O3（BFCO）陶瓷，我們發現該材料室溫下的Mr（0.55 emu/g）顯示其具有較強的鐵磁性，但對其結構和較大磁性的來源尚不清楚。其二，我們進一步試製了把FeO和CoO團簇等比例植入BIT的新型材料Bi5Ti3Fe0.5Co0.5O15陶瓷，我們發現，在BIT的類鈣鈦礦層中，FeO和CoO團簇如我們所料形成了八面體結構，宏觀上Aurivillius相已經成立，這一點除了通過XRD譜驗證外，還能從HRSEM中進一步得到有力的確認。特別是樣品室溫下具有明顯的鐵磁性，顯示出誘人的應用前景。

主持的科研課題有：

（1）國家自然科學基金，層狀鈣鈦礦鐵電材料剩餘極化機理研究（28萬元，負責人批准號：10274066）

（2）江蘇省自然科學基金項目，MBi4Ti4O15基高性能無鉛壓電陶瓷的研製（8.5萬元，BK2005052）

（3）江蘇省六大人才高峰項目：“高性能SrBi4Ti4O15鐵電、壓電薄膜研究”（經費3萬元）

擁有專利技術：

1． 陳小兵，孫慧，朱駿，毛翔宇，方洪，“高性能La，V共摻SrBi4Ti4O15鐵電薄膜”

2． 毛翔宇，陳小兵，王偉，“製備鈦酸鉍取向陶瓷的固相燒結工藝方法”

▲《Plasmon-enhanced luminescence in Yb3+:Y2O3 thin film and the potential for solar cell photon harvesting》，Appl. Phys. Lett. 94, 193110(2009)， 2009年

▲《Aliovalent B-site modification on three- and four-layer Aurivillius intergrowth》，J Appl. Phys. 103, 044102，2008年

▲《Structural andelectrical characterization of chemical-solution-derived Bi5FeTi3O15 thin films 》，J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 155418，2008年

▲《Electrical and magnetic properties of Bi5FeTi3O15 compound prepared by inserting BiFeO3 into Bi4Ti3O12》，Solid State Communications 147, 186，2008年

▲《Effect of Nd modification on electrical properties of mixed-layer Aurivillius phase Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15》，J. Appl. Phys. 102(2), 024102

，2007年

▲《Properties of tungsten doped Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15 intergrowth ferroelectrics》，Materials Research Bulletin 42, 274，2007年

▲《Notable enlargement of remnant polarization for fatigue-free SrBi4Ti4O15 thin films by La-substitution》，J Sol-Gel Sci. Technol. 43(1), 125(2007)，2007年

▲《Properties of Nd-substituted SrBi4Ti4O15 ferroelectric ceramics”》 ，Journal of Physics D: Applied Physics 39, 370，2006年

▲《Large remnant polarization and excellent fatigue property of vanadium-doped SrBi4Ti4O15 thin films”》，J Appl. Phys. 100, 074102，2006年

▲《Raman and X-ray photoelectron scattering study of lanthanum-doped strontium bismuth titanate》，Acta Materialia53, 3155，2005年