鐵電材料因其自發(fā)極化和在外部場(chǎng)作用下的疇變能力而備受關(guān)注，這些特性使得它們?cè)诜且资源鎯?chǔ)器、能量存儲(chǔ)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)和光伏效應(yīng)等方面展現(xiàn)出突出的性能。特別是壓電效應(yīng)，它涉及到機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于超聲換能器、執(zhí)行器和能量收集器等。盡管含鉛的鐵電陶瓷因其壓電性能而長(zhǎng)期占據(jù)市場(chǎng)地位，但鉛的毒性對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋找無(wú)鉛的壓電材料替代品成為了一個(gè)重要的研究方向，其中基于BaTiO3、(Bi,Na)TiO3和(K,Na)NbO3的材料因其與常規(guī)PZT陶瓷相媲美的壓電性能而受到重視。

針對(duì)以上的問(wèn)題，由中科院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用澤攸科技TEM原位進(jìn)行了深入研究。他們對(duì)(K,Na)NbO3（KNN）單晶在加熱過(guò)程中鐵電疇的演變進(jìn)行了研究，這項(xiàng)研究揭示了KNN單晶中觀察到的應(yīng)變熱穩(wěn)定性和高熱電系數(shù)與鐵電疇的熱穩(wěn)定性有關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)了在相變過(guò)程中增強(qiáng)熱電效應(yīng)的機(jī)制。相關(guān)成果以“In situ observation of ferroelectric domain evolution of (K,Na)NbO3 single crystals during heating”發(fā)表在《Acta Materialia》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120316

論文的主要研究?jī)?nèi)容集中在鉀鈉鈮酸鹽(K,Na)NbO3（KNN）單晶的鐵電疇在不同溫度下的演變行為，以及這些演變對(duì)材料的熱穩(wěn)定性和熱電性能的影響。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)，對(duì)KNN單晶在加熱過(guò)程中的鐵電疇變化進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和分析。

圖 透射電子顯微鏡明場(chǎng)（TEM BF）圖像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）模式

研究首先關(guān)注了KNN單晶在20°C至120°C溫度范圍內(nèi)鐵電疇的熱穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在這一溫度區(qū)間內(nèi)，鐵電疇結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，表明了材料的應(yīng)變熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，研究者們?cè)?80°C至240°C的溫度區(qū)間內(nèi)，觀察到了四方相（T相）在正交相（O相）中的形核和擴(kuò)展，這一過(guò)程伴隨著新的鐵電疇的生成和擴(kuò)展，導(dǎo)致材料宏觀極化強(qiáng)度的降低，從而增強(qiáng)了熱電效應(yīng)。

圖 四方相迷宮狀對(duì)比度的演變

特別地在接近居里溫度（Tc）時(shí)，研究揭示了一個(gè)中間狀態(tài)，即立方相（C相）和四方相（T相）之間的迷宮狀疇結(jié)構(gòu)。這種迷宮狀疇被認(rèn)為是C-T相變過(guò)程中的中間狀態(tài)，其出現(xiàn)和消失與鐵電疇的行為一致，并且與材料的熱電系數(shù)增強(qiáng)有關(guān)。

圖 240°C下兩種類型四方相疇壁的分析

整體而言，這項(xiàng)研究不僅闡明了KNN單晶中鐵電疇演變對(duì)材料熱穩(wěn)定性和熱電性能的影響機(jī)制，而且為理解鐵電材料的熱響應(yīng)提供了新的視角，這對(duì)于開發(fā)新型高性能無(wú)鉛壓電材料具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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