【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平教授課題組在缺陷偶極子調控鐵電材料的極化與應變行為的研究中取得重要進展，相關研究成果以“Deciphering the Effect of Defect Dipoles on the Polarization and Electrostrain Behavior in Perovskite Ferroelectrics” (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03042)為題發表于國際知名學術期刊Nano Letters上。
鈣鈦礦結構的鐵電材料在壓電傳感和驅動、電光調制、介電儲能、非易失性存儲等領域受到廣泛關注。點缺陷或缺陷偶極子的引入和調控可以改善鈣鈦礦鐵電材料的壓電性質、儲能性質和溫度穩定性，例如課題組前期的系列工作利用缺陷偶極子與鐵電疇的耦合作用在低電場下獲得了低滯后、耐疲勞、溫度穩定的高應變(Science 2022, 378, 1125-1130，Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2306416, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214643)。然而，在缺陷偶極子對極化和壓電應變的影響方面仍然存在疑團：(1)傳統觀點認為宏觀取向排列的缺陷偶極子一定會產生內偏場，但事實發現并不是所有缺陷偶極子都能產生內偏場；(2)學界近年來利用缺陷偶極子獲得的不對稱大應變行為普遍與傳統理論中的規律矛盾。
針對上述問題，研究人員提出，只有凈電荷為零的缺陷偶極子會產生內偏場；凈電荷不為零的缺陷偶極子會吸引第三個電荷分布在周圍，而第三電荷位置的不確定性阻礙了內偏場的建立。在Fe摻雜KNN陶瓷中使Fe元素降價，觀察到內偏場消失，證實了內偏場建立的條件是缺陷偶極子凈電荷為零。研究認為缺陷偶極子在宏觀定向后會產生額外的極化，考慮這部分極化后，的傳統理論可適用于近年發現的不對稱大應變現象。研究中還利用相場模擬驗證了缺陷偶極子的彈性效應會帶來額外極化，可以在不產生內偏場的前提下獲得高度不對稱的應變行為。這項研究解決了缺陷偶極子調控機制方面長期存在的問題，增進了對缺陷偶極子性質的理解，完善和發展了鐵電材料的點缺陷相關理論。
圖1 缺陷偶極子對鐵電材料極化行為的影響
圖2 相場模擬表明缺陷偶極子的彈性效應對極化和應變行為的影響
材料學院已畢業博士生皇甫庚(目前為新加坡國立大學博士后)和在讀博士生王杰為論文的共同第一作者，郭益平教授和南京理工大學劉震教授為通訊作者，章海明教授及新加坡國立大學的陳景升教授也參與了研究。這項研究獲得了國家重點研發計劃(2022YFA1205300和2022YFA1205304)、國家自然科學基金(52032012)和江蘇省自然科學基金(BK20220923)的資助。
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