烏鎮(zhèn)實驗室在有序-無序鈮酸鉀鈉基鐵電材料中的電場誘導極化旋轉(zhuǎn)研究取得進展

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壓電材料可以實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換，是信息通訊、生物醫(yī)療、軍工國防領域中驅(qū)動器、傳感器、換能器的關鍵功能材料。以鈮酸鉀鈉（KNN）為代表的無鉛壓電陶瓷材料因其具有低密度、高機電耦合性能、優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和環(huán)境友好等優(yōu)點，成為備受關注的研究熱點。

此研究發(fā)現(xiàn)，雖然材料的長程平均晶體結(jié)構(gòu)可以很好地被R-T共存結(jié)構(gòu)模型和Rietveld精修方法擬合，但是基于中子全散射和對分布函數(shù)（PDF）分析的局域結(jié)構(gòu)表征表明，Nb離子的位移矢量位于<001>_PC和<111>_PC之間的單斜M_A極化平面內(nèi)，且具有顯著的局域無序特征。利用原位同步輻射研究了材料在電場下的動態(tài)結(jié)構(gòu)響應，材料在電場下的平均結(jié)構(gòu)變化既可以被菱方-四方（R-T）的場致相變行為描述，又具有顯著的極化旋轉(zhuǎn)特性，與極化矢量相關的旋轉(zhuǎn)角在電場下表現(xiàn)出類似蝴蝶曲線的滯回特性。分子動力學（MD）模擬進一步證實，在零電場狀態(tài)下Nb離子的位移具有顯著的無序特性，與PDF分析結(jié)果相符；在電場作用下，無序的局部極化呈現(xiàn)出有序化的趨勢?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，此研究提出了一個基于朗道理論的定性模型，用以比較無序系統(tǒng)和有序系統(tǒng)對電場響應的差異，并討論了有序-無序調(diào)控對材料宏觀電學性能的潛在影響。這一模型不僅增強了我們對鐵電材料電響應機制的理解，也為未來鐵電材料的設計與應用提供了重要的理論依據(jù)。

圖1: KNN-BZ6材料的平均結(jié)構(gòu)與局部晶格結(jié)構(gòu)：（a）Rietveld精修結(jié)果，揭示了R相和T相的共存；（b）基于中子衍射的RMC擬合結(jié)果；（c）基于RMC計算模型的PDF與理想R相的徑向分布函數(shù)對比；（d）從<001>_PC方向觀察的Nb相對于O離子位移的立體投影圖。

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圖2:電場下的結(jié)構(gòu)變化：（a）原位變電場同步輻射表征下KNN-BZ6材料的結(jié)構(gòu)變化；（b）200峰形隨電場的變化；（c）單斜M_a相、T相、R相的極化矢量示意圖；（d）基于LeBail擬合得到的電場下的晶格參數(shù)β角變化；（e）極化旋轉(zhuǎn)過程的示意圖，旋轉(zhuǎn)角度θ與M_a相的β角相關。

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圖3: 分子動力學模擬結(jié)果：（a）沒有外部電場時Nb離子自發(fā)位移的分布；（b）外部電場沿[111]_PC方向時Nb離子自位移的分布；（c）和（d）分別展示了在[001]_PC方向的Nb離子位移立體投影圖。

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圖4: 電場對有序和無序鐵電系統(tǒng)的影響：（a）以自發(fā)極化沿著[001]_PC方向的四方相為例，當極化沿著[-1-11]_PC→ [001]_PC→ [111]_PC演化時，有序與無序鐵電體系的自由能曲線變化。（b）有序體系和（c）無序體系中自由能曲線對沿[111]_PC方向施加的電場的響應變化。（d–f)相應的極化分布，其中分布的寬度用括號強調(diào)。