PMN-38PT单晶中铁电畴切换动力学的原位探测

《Energy》：In Situ Probing of the Ferroelectric Domain Switching Dynamics in PMN-38PT Single Crystals

铁电材料PMN-38PT在非平行电场下的畴动力学及性能关联研究。采用在位偏置TEM实时观测[110]方向电场作用下铁电畴的成核与演化，建立微观反转速度与宏观P-E滞回特性的直接关联，揭示非正交电场对铁电性能的影响机制。

　　

冯晓宇|张建伟|郑云哲|曲凯|赵二丁|王浩楠|徐宇|田博博|张永成|杨振中|黄荣|段重刚

极地材料与器件重点实验室（教育部），电子系，信息与电子工程学院；上海绿色化学与化学过程重点实验室；华东师范大学化学与分子工程学院，中国上海市东川路500号，200241

摘要

理解铁电畴演化的动态对于开发先进的压电材料至关重要。然而，解析这些畴的复杂性，尤其是在弛豫铁电体中，揭示其纳米尺度动态存在挑战。在这项研究中，我们使用原位偏压透射电子显微镜（TEM）研究了弛豫铁电体62%Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-38%PbTiO₃单晶中的铁电极化反转动态。这项工作为在电场方向与非极化方向垂直时观察到的畴切换行为提供了清晰而全面的物理解释。我们探讨了电循环过程中各种铁电畴的成核和演化过程。通过对畴面积演化的定量分析，可以提取微观反转速度，并将其与宏观的P–E迟滞响应建立直接关联。研究铁电材料中畴切换速度的基本机制，有助于精确控制和操纵材料内的序参量。

引言

在纳米技术时代，压电材料发挥着越来越重要的作用，例如高精度测量、定位、加工和驱动[[1], [2], [3], [4]]。特别是近年来，弛豫铁电单晶作为压电材料的表现尤为突出，其压电系数d₃₃范围从1200到4100 pC/N，同时表现出小于5%的压电应变迟滞[5]。此外，经过稀土掺杂（特别是Sm掺杂的PMN-PT陶瓷）适当改性的弛豫Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃（PMN-PT）陶瓷的压电系数d₃₃已提升至约1500 pC/N[[6], [7], [8], [9]]。这些性能远远超过了传统的Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）陶瓷[5,[10], [11], [12]]。这些进展对于压电材料在高机电性能领域的实际应用具有重要意义。

电场驱动的畴切换动态显著影响材料的压电性能[13,14]。因此，全面理解铁电畴壁反转的机制对于开发这些材料的潜在应用至关重要[[15], [16], [17], [18]]。原位透射电子显微镜（TEM）提供了一个平台，可以同时对微观和纳米尺度样品施加多种刺激，测量其物理和机械性能，并研究在外部刺激下畴结构的演化[[19], [20], [21], [22]]。它是研究外加电场下铁电材料中畴结构动态响应的关键方法。许多原位研究揭示了影响畴切换行为的多方面因素。值得注意的是，电场和机械载荷的联合应用促进了铁电畴的转变，同时将这种转变所需的阈值场降低了40%[23]。样品的厚度由于随机极化表面层产生的局部应变场而对畴反转路径产生显著影响[24]。上述发现主要集中在施加与自发极化方向一致的电场上。

然而，在实际应用中，施加的电场通常与自发极化方向不一致。这种不对齐通常由多畴配置、特定电极几何形状和复杂的器件架构引起。对于陶瓷材料而言，这种效应尤为明显，因为晶粒取向是随机的，导致对施加场的响应方向也是随机的。大量研究表明，畴取向显著影响铁电材料在偏压刺激下的极化反转特性、介电性能和压电性能[[25], [26], [27]]。这些效应可能源于不同取向畴的成核能垒不同，从而导致畴切换动态的差异[[28], [29], [30]]。因此，研究与极化方向不同的电场下的畴动态对于全面理解压电材料的响应行为和优化其性能至关重要。为此，系统研究这些实际配置对于弥合基本微观切换机制与宏观尺度器件操作之间的差距至关重要。在这项工作中，我们设计了一个原位TEM实验装置，能够沿[110]方向对四方（T）相PMN-38PT单晶施加稳定且相对均匀的平行电场。实时研究了电场刺激下各种类型铁电畴的演化过程。通过结合极化–电场（P–E）迟滞环揭示的宏观极化特性，进一步建立了结构与性能之间的关联，从而实现了对铁电反转行为的多尺度理解。

实验和方法

使用的PMN-38PT单晶（来自中国科学院上海陶瓷研究所）采用布里奇曼生长法制备。表面畴形态和成分分析使用配备能量色散X射线光谱（EDS）探测器的扫描电子显微镜（Zeiss Gemini 450）进行（英国Oxford）。X射线衍射（XRD）图谱使用Bruker D8 Discover仪器获得（德国）。

基于芯片的原位电热

晶体结构和初始畴配置

PMN-38PT单晶通过XRD、扫描电子显微镜（SEM）和EDS分析进行了表征。图S1a中的XRD谱表明PMN-38PT单晶具有四方结构。图S1b-c中的SEM图像显示了抛光后的表面畴的宏观形态。图S1d-h中的EDS元素图表明Nb、Ti、Pb、Mg和O元素分布均匀，没有成分偏析。

结论

总结来说，我们利用原位TEM偏压技术系统研究了四方PMN–38PT单晶在非平行[110]电场下的铁电畴动力学演化。重要的是，这项研究系统地阐明了在非平行[110]电场配置下的极化反转现象，这种几何结构更接近实际器件条件，比理想切换情况更为真实。这种方法实现了极化过程的实时可视化。

致谢

我们感谢上海市科学技术委员会（项目编号24JD1401200）、国家重点研发计划（项目编号2022YFA1402902）、国家自然科学基金（项目编号52572129、62004124、52272116）以及苏州实验室研究基金（项目编号SK-1202-2024-012）的财政支持。

CRediT作者贡献声明

冯晓宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件开发，实验研究，数据分析。张建伟：撰写 – 审稿与编辑，软件开发，实验研究，数据管理。郑云哲：撰写 – 审稿与编辑，软件开发，方法论研究。曲凯：撰写 – 审稿与编辑，实验指导，数据分析。赵二丁：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，数据分析。王浩楠：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。徐宇：撰写 –