鐵電材料因其自發極化和在外部場作用下的疇變能力而備受關注，這些特性使得它們在非易失性存儲器、能量存儲、壓電效應、熱電效應和光伏效應等方面展現出突出的性能。特別是壓電效應，它涉及到機械能與電能的轉換，被廣泛應用于超聲換能器、執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期占據市場地位，但鉛的毒性對人類健康和環境構成重大風險。因此，尋找無鉛的壓電材料替代品成為了一個重要的研究方向，其中基于BaTiO3、(Bi,Na)TiO3和(K,Na)NbO3的材料因其與常規PZT陶瓷相媲美的壓電性能而受到重視。

針對以上的問題，由中科院物理研究所、中國科學院大學、哈爾濱工業大學以及松山湖材料實驗室組成的研究團隊，利用澤攸科技TEM原位進行了深入研究。他們對(K,Na)NbO3（KNN）單晶在加熱過程中鐵電疇的演變進行了研究，這項研究揭示了KNN單晶中觀察到的應變熱穩定性和高熱電系數與鐵電疇的熱穩定性有關，并且發現了在相變過程中增強熱電效應的機制。相關成果以“In situ observation of ferroelectric domain evolution of (K,Na)NbO3 single crystals during heating”發表在《Acta Materialia》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120316

論文的主要研究內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，以及這些演變對材料的熱穩定性和熱電性能的影響。研究團隊通過原位透射電子顯微鏡（TEM）技術，對KNN單晶在加熱過程中的鐵電疇變化進行了詳細的觀察和分析。

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

研究首先關注了KNN單晶在20°C至120°C溫度范圍內鐵電疇的熱穩定性。實驗結果顯示，在這一溫度區間內，鐵電疇結構保持穩定，沒有發生明顯的變化，表明了材料的應變熱穩定性。進一步地，研究者們在180°C至240°C的溫度區間內，觀察到了四方相（T相）在正交相（O相）中的形核和擴展，這一過程伴隨著新的鐵電疇的生成和擴展，導致材料宏觀極化強度的降低，從而增強了熱電效應。

圖 四方相迷宮狀對比度的演變

特別地在接近居里溫度（Tc）時，研究揭示了一個中間狀態，即立方相（C相）和四方相（T相）之間的迷宮狀疇結構。這種迷宮狀疇被認為是C-T相變過程中的中間狀態，其出現和消失與鐵電疇的行為一致，并且與材料的熱電系數增強有關。

圖 240°C下兩種類型四方相疇壁的分析

整體而言，這項研究不僅闡明了KNN單晶中鐵電疇演變對材料熱穩定性和熱電性能的影響機制，而且為理解鐵電材料的熱響應提供了新的視角，這對于開發新型高性能無鉛壓電材料具有重要的科學意義和應用價值。

安徽澤攸科技有限公司作為中國本土的精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續為國內外用戶的重磅研究成果提供了技術支持。