鐵電材料在致動(dòng)器、換能器和多層陶瓷電容器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其性能調(diào)控對(duì)功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。目前，通過增強(qiáng)鐵電體的外在貢獻(xiàn)是提升性能的重要途徑，常見的調(diào)控策略包括應(yīng)變工程、相界工程、點(diǎn)缺陷摻雜等。然而，點(diǎn)缺陷摻雜雖然常用，但其熱穩(wěn)定性和場(chǎng)穩(wěn)定性不足，限制了實(shí)際應(yīng)用。相比之下位錯(cuò)具有更高的熱穩(wěn)定性，在穩(wěn)定鐵電相、促進(jìn)疇成核和釘扎疇壁等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。位錯(cuò)還能通過局部應(yīng)變場(chǎng)改變?cè)訕O化狀態(tài)，從而影響材料的宏觀性能。例如已有研究表明，通過機(jī)械壓印引入定向位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)可使鈦酸鋇單晶的機(jī)電響應(yīng)提升19倍，位錯(cuò)誘導(dǎo)的局部應(yīng)變場(chǎng)還能略微提高材料的居里溫度。此外位錯(cuò)還被證明能顯著增強(qiáng)鈦酸鋇單晶的壓電催化性能，為陶瓷體材料的功能調(diào)控提供了新思路。

盡管位錯(cuò)在鐵電材料中的功能作用已得到初步驗(yàn)證，但其對(duì)周圍原子極化和疇結(jié)構(gòu)演化的具體機(jī)制仍不明確。現(xiàn)有研究多集中于理論模擬和薄膜體系，而具有更廣泛應(yīng)用前景的塊體材料研究相對(duì)匱乏。這主要源于功能陶瓷中離子鍵/共價(jià)鍵的剛性特征導(dǎo)致位錯(cuò)引入困難，且傳統(tǒng)方法存在位錯(cuò)密度低或引入復(fù)雜缺陷等局限性。雖然單軸壓縮法能可控引入特定位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，但位錯(cuò)與疇結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制仍待深入探索。特別是位錯(cuò)如何影響原子級(jí)極化、作為疇成核位點(diǎn)的具體條件，以及位錯(cuò)線與疇壁重疊時(shí)的釘扎效應(yīng)等問題，尚未通過實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)驗(yàn)證。

針對(duì)上述問題，由中南大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM展開了深入研究，他們直接觀測(cè)了位錯(cuò)對(duì) BaTiO? 單晶中原子極化、疇結(jié)構(gòu)演化及疇壁動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)影響，提供了位錯(cuò)作為 “疇成核位點(diǎn)” 和 “疇壁釘扎錨點(diǎn)” 的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并揭示了位錯(cuò)分布非均勻性對(duì)材料功能的調(diào)控機(jī)制。相關(guān)成果以“Observation of the Impact of Dislocations on Atomic Polarization and Domain Structures in BaTiO?”為題發(fā)表在《Advanced Physics Research》期刊上。

研究團(tuán)隊(duì)采用高溫單軸壓縮技術(shù)在BaTiO?單晶中可控引入高密度{100}<100>位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，并通過多尺度表征技術(shù)揭示了位錯(cuò)與疇結(jié)構(gòu)的相互作用。球差校正透射電鏡直接觀測(cè)到位錯(cuò)的空間分布特征，包括滑移帶聚集的直線位錯(cuò)與位錯(cuò)環(huán)。固體核磁共振（SS-NMR）通過13?Ba信號(hào)角度依賴性定量分析了不同極化方向的疇結(jié)構(gòu)比例，而同步輻射X射線衍射顯微鏡（SXDM）則在體材料中直接證實(shí)了90° a-a疇與位錯(cuò)共存的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

圖 a) 樣品的明場(chǎng)像。b) 沿[001]C晶帶軸的選區(qū)電子衍射花樣。c) A區(qū)域的局部放大圖。d) 樣品中疇結(jié)構(gòu)的示意圖

高分辨率TEM結(jié)合原子位移矢量分析顯示，位錯(cuò)核心顯著擾動(dòng)周圍原子的極化狀態(tài)。在位錯(cuò)與疇壁交匯處，位錯(cuò)引起的局域應(yīng)變導(dǎo)致鄰近原子層面內(nèi)極化分量異常增強(qiáng)或減弱。特別值得注意的是，位錯(cuò)線本身表現(xiàn)出類疇壁行為，其兩側(cè)原子呈現(xiàn)正交面內(nèi)極化，形成非典型的90°疇翻轉(zhuǎn)路徑。

圖 a) TEM明場(chǎng)像及對(duì)應(yīng)的高分辨局部圖像。b,c) 選定區(qū)域的原子極化分析

通過原位電場(chǎng)TEM實(shí)驗(yàn)，研究實(shí)時(shí)捕捉到位錯(cuò)在疇動(dòng)力學(xué)中的雙重功能：作為成核位點(diǎn)和疇壁釘扎點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)顯示，施加電場(chǎng)時(shí)新疇優(yōu)先從位錯(cuò)線處形核并向外擴(kuò)展，同時(shí)位錯(cuò)線可阻礙疇壁運(yùn)動(dòng)或與疇壁重疊，導(dǎo)致疇結(jié)構(gòu)演變呈現(xiàn)高度非均勻性。

圖 原位電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。a) 鎢探針位置示意圖。b-d) 圖a中紅色標(biāo)記區(qū)域在不同電壓下的明場(chǎng)像（黃色方框突出顯示變化顯著區(qū)域）。同一位置在不同電壓下的高分辨透射電鏡圖像及原子極化分析。e) 0 V。f) 30 V。g) -30 V。h) 鈦原子位移幅度的對(duì)應(yīng)極圖

研究強(qiáng)調(diào)位錯(cuò)空間分布的不均勻性是調(diào)控材料功能的關(guān)鍵。NMR與SXDM證實(shí)位錯(cuò)誘導(dǎo)的局域應(yīng)變/電荷梯度驅(qū)動(dòng)了多類型疇的共存，而位錯(cuò)密度差異導(dǎo)致不同區(qū)域?qū)﹄妶?chǎng)的響應(yīng)迥異。這種非均勻性解釋了機(jī)械壓印后BaTiO?機(jī)電性能顯著提升的微觀起源。

圖 電壓加載過程中的局部區(qū)域變化。a) 0 V。b) -5 V。c) -10 V。d) -15 V。e) -20 V。f) -25 V。g) -30 V

該工作通過原子尺度極化成像與疇結(jié)構(gòu)原位追蹤，確證位錯(cuò)通過應(yīng)變場(chǎng)與電荷效應(yīng)擾動(dòng)周圍原子極化，并作為疇成核中心與疇壁錨點(diǎn)主導(dǎo)疇演化動(dòng)力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)為"位錯(cuò)工程"優(yōu)化鐵電體性能提供了直接實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并指出了未來需要結(jié)合更高分辨率技術(shù)深入解析位錯(cuò)-疇壁相互作用的原子構(gòu)型與電荷分布的研究方向。

圖 原位電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。a) 實(shí)驗(yàn)前狀態(tài)。b,c) 不同外加電壓下的疇結(jié)構(gòu)演變

澤攸科技作為中國(guó)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(yīng)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(xù)為國(guó)內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位TEM產(chǎn)品：

FEI雙傾探針桿