發布時間：2023年1月9日
已經查看了466次
鐵性晶體中的疇壁具備許多有別于疇本身的獨特物理性質，尤其是當極性疇壁出現于非極性材料中時，這種獨特性會被進一步放大，這使得對其性能的開發和應用擁有廣闊的前景。近日，西安交通大學電信學部電子學院張楠教授團隊研究發現，反鐵電鋯鈦酸鉛單晶中的反相疇壁的具有宏觀極性，且其密度、厚度和極性可被應力和電場有效調控。
研究發現，室溫的鋯酸鉛基晶體的自發極化↑↑↓↓排列形成反鐵電結構無宏觀極性。晶體中還存在著反相疇壁(Antiphase boundary, APB)，疇壁兩側的疇(Domain 1和Domain 2)的平移對稱性被打破。疇壁一般為二維平面，厚度僅為幾個單位晶胞，因此難以使用傳統手段進行結構表征，學界對反相疇壁的認識、特別是對疇壁的原子結構較為欠缺。本研究首先基于分子動力學模擬，發現以↑↑↓型亞鐵電結構作為基本單元的疇壁結構較為穩定——這豐富了對反鐵電晶體中疇壁的認識，也從微觀尺度預測到這種疇壁可能具有極性。
研究團隊基于二次諧波成像(Second-harmonic generation microscopy, SHGM)確認了疇壁的宏觀極性。在實驗中發現，單晶樣品上的反相疇壁會產生二次諧波信號，通過對信號進行定量分析，確認疇壁具備宏觀極性。在垂直于疇壁方向對單晶施加壓力后，疇壁產生的二次諧波信號顯著增強。
研究團隊對單晶開展了漫散射實驗，厘清了疇壁的應力調控機理。疇壁對長程有序的影響使得超結構衍射峰附近出現漫散射細線，通過結構建模和散射強度仿真擬合，得到了疇壁密度信息。研究發現，對單晶施加壓力后，垂直于壓力方向的疇壁密度顯著增大，疇的平均尺寸減小，這從微觀尺度闡釋了應力對疇壁和疇結構的調控規律。
研究團隊在上海同步輻射光源BL02U2線站開展了加電場的原位單晶漫散射實驗，發現在直流電場作用下，出現了新的超結構衍射峰。基于結構建模和仿真，確認該衍射峰來源于↑↑↓型亞鐵電結構。研究表明，疇壁在平行電場作用下變寬、極性增強。
這一研究工作為鐵性材料中功能疇壁的結構調控、性能開發和應用開辟了新的道路。研究工作以《非極性材料中極性疇壁的調控》（Tuning of Polar Domain Boundaries in Nonpolar Perovskite）為題發表于《先進材料》（Advanced Materials）期刊。張楠教授為論文的通訊作者，第一作者為西安交通大學博士生安哲毅，共同通訊作者為日本千葉大學的Hiroko Yokota博士和捷克科學院的Marek Pa?ciak博士，合作者還包括西安交通大學任巍教授、加拿大西門菲沙大學葉作光教授和英國牛津大學A. M. Glazer教授等。論文得到了中國國家自然科學基金和111國家引智計劃等項目的資助。
張楠教授團隊多年來運用國際領先的中子和X射線衍射和散射技術，對鐵性功能鈣鈦礦晶體材料的多尺度晶體結構進行深入探究，致力于解析晶體結構與物理性能的深入聯系，并應用于材料改性和性能開發。
來源：交大新聞網 日期：2023-01-06 11:31