鐵電材料在致動器、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)控對功能實現(xiàn)至關(guān)重要。目前，通過增強鐵電體的外在貢獻(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、點缺陷摻雜等。然而，點缺陷摻雜雖然常用，但其熱穩(wěn)定性和場穩(wěn)定性不足，限制了實際應(yīng)用。相比之下位錯具有更高的熱穩(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。位錯還能通過局部應(yīng)變場改變原子極化狀態(tài)，從而影響材料的宏觀性能。例如已有研究表明，通過機械壓印引入定向位錯網(wǎng)絡(luò)可使鈦酸鋇單晶的機電響應(yīng)提升19倍，位錯誘導(dǎo)的局部應(yīng)變場還能略微提高材料的居里溫度。此外位錯還被證明能顯著增強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。

盡管位錯在鐵電材料中的功能作用已得到初步驗證，但其對周圍原子極化和疇結(jié)構(gòu)演化的具體機制仍不明確?，F(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匱乏。這主要源于功能陶瓷中離子鍵/共價鍵的剛性特征導(dǎo)致位錯引入困難，且傳統(tǒng)方法存在位錯密度低或引入復(fù)雜缺陷等局限性。雖然單軸壓縮法能可控引入特定位錯結(jié)構(gòu)，但位錯與疇結(jié)構(gòu)的相互作用機制仍待深入探索。特別是位錯如何影響原子級極化、作為疇成核位點的具體條件，以及位錯線與疇壁重疊時的釘扎效應(yīng)等問題，尚未通過實驗直接觀測驗證。

針對上述問題，由中南大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊利用澤攸科技原位TEM展開了深入研究，他們直接觀測了位錯對 BaTiO? 單晶中原子極化、疇結(jié)構(gòu)演化及疇壁動力學(xué)的動態(tài)影響，提供了位錯作為 “疇成核位點” 和 “疇壁釘扎錨點” 的直接實驗證據(jù)，并揭示了位錯分布非均勻性對材料功能的調(diào)控機制。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>位錯網(wǎng)絡(luò)，并通過多尺度表征技術(shù)揭示了位錯與疇結(jié)構(gòu)的相互作用。球差校正透射電鏡直接觀測到位錯的空間分布特征，包括滑移帶聚集的直線位錯與位錯環(huán)。固體核磁共振（SS-NMR）通過13?Ba信號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了90° a-a疇與位錯共存的獨特結(jié)構(gòu)。

圖 a) 樣品的明場像。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，位錯核心顯著擾動周圍原子的極化狀態(tài)。在位錯與疇壁交匯處，位錯引起的局域應(yīng)變導(dǎo)致鄰近原子層面內(nèi)極化分量異常增強或減弱。特別值得注意的是，位錯線本身表現(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明場像及對應(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TEM實驗，研究實時捕捉到位錯在疇動力學(xué)中的雙重功能：作為成核位點和疇壁釘扎點。實驗顯示，施加電場時新疇優(yōu)先從位錯線處形核并向外擴展，同時位錯線可阻礙疇壁運動或與疇壁重疊，導(dǎo)致疇結(jié)構(gòu)演變呈現(xiàn)高度非均勻性。

圖 原位電場實驗。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應(yīng)極圖

研究強調(diào)位錯空間分布的不均勻性是調(diào)控材料功能的關(guān)鍵。NMR與SXDM證實位錯誘導(dǎo)的局域應(yīng)變/電荷梯度驅(qū)動了多類型疇的共存，而位錯密度差異導(dǎo)致不同區(qū)域?qū)﹄妶龅捻憫?yīng)迥異。這種非均勻性解釋了機械壓印后BaTiO?機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，確證位錯通過應(yīng)變場與電荷效應(yīng)擾動周圍原子極化，并作為疇成核中心與疇壁錨點主導(dǎo)疇演化動力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)為"位錯工程"優(yōu)化鐵電體性能提供了直接實驗依據(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-疇壁相互作用的原子構(gòu)型與電荷分布的研究方向。

圖 原位電場實驗。a) 實驗前狀態(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