? 近日，烏鎮(zhèn)實驗室聯合清華大學、北京郵電大學、西安交通大學等單位在材料科學領域頂級期刊《Advanced Materials》上發(fā)表了題為Field-induced polarization rotation in order-disorder (K,Na)NbO3-based ferroelectrics（有序-無序鈮酸鉀鈉基鐵電材料中的電場誘導極化旋轉）的科研論文，烏鎮(zhèn)實驗室特聘研究員張茂華、清華大學湯浩正博士為論文的共同第一作者，西安交通大學趙倡皓副教授、北京郵電大學畢科教授等為本論文的共同通訊作者。
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壓電材料可以實現電能和機械能的相互轉換，是信息通訊、生物醫(yī)療、軍工國防領域中驅動器、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，雖然材料的長程平均晶體結構可以很好地被R-T共存結構模型和Rietveld精修方法擬合，但是基于中子全散射和對分布函數（PDF）分析的局域結構表征表明，Nb離子的位移矢量位于<001>PC和<111>PC之間的單斜MA極化平面內，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)結構響應，材料在電場下的平均結構變化既可以被菱方-四方（R-T）的場致相變行為描述，又具有顯著的極化旋轉特性，與極化矢量相關的旋轉角在電場下表現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分析結果相符；在電場作用下，無序的局部極化呈現出有序化的趨勢。基于以上發(fā)現，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。
圖1: KNN-BZ6材料的平均結構與局部晶格結構：（a）Rietveld精修結果，揭示了R相和T相的共存；（b）基于中子衍射的RMC擬合結果；（c）基于RMC計算模型的PDF與理想R相的徑向分布函數對比；（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:電場下的結構變化：（a）原位變電場同步輻射表征下KNN-BZ6材料的結構變化；（b）200峰形隨電場的變化；（c）單斜Ma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β角變化；（e）極化旋轉過程的示意圖，旋轉角度θ與Ma相的β角相關。
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圖3: 分子動力學模擬結果：（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。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413587?af=R
《Advanced Materials》是工程與計算大學科、材料與化學大領域（包含材料化學，材料物理，生物材料，納米材料，光電材料，金屬材料，無機非金屬材料，電子材料等等非常多的子學科，以及非常大量與材料相關的研究領域）的頂尖期刊，在國際材料領域科研界上享譽盛名，具有很高的影響力和學術認可度，中科院分區(qū)為1區(qū)，目前最新影響因子為29.4。
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