APL－上海應用物理所等－弛豫鐵電體材料研究

中科院上海應用物理所、中國科大國家同步輻射實驗室和中科院上海硅酸鹽研究所合作，采用同步輻射X射線散斑方法，在弛豫鐵電體材料極化納米區域空間構造的實驗研究中取得重要進展，發現PNR極化和關聯方向的重新取向對弛豫鐵電體宏觀極化的形成有重要作用。該成果日前發表于《應用物理快報》（APL）。
 
弛豫鐵電體材料具有優異的壓電、電致伸縮等特性，廣泛應用于超聲設備、傳感器等，并有可能用于人工智能、神經網絡等領域。其優異性能被認為源自材料內大量的極化納米區域(Polar Nano-Region，簡稱PNR)。長期以來，人們對PNR的實驗觀測多是采用間接的實驗手段，如基于對晶格振動(聲子)研究的非彈性中子散射和拉曼散射，或基于晶格位移的X射線漫散射等。因此，尋找一種能直接反映PNR結構信息的無損傷觀測方法，對于從微觀角度了解PNR結構及其功能具有重要意義。
 
X射線散斑方法是隨著X射線光源的發展而新近出現的實驗方法，通常可用于直接觀測物質相變過程中微小的無序結構及其動力學。上海應用物理所科研人員通過自行研制的高溫高電壓裝置，并改進現有實驗配置，首次觀測到了弛豫鐵電體相變過程中的X射線散斑圖樣，據此得到了與PNR尺度相關的重要參數。該實驗在合肥光源X射線衍射與散射實驗站完成，實驗中的樣品為上海硅酸鹽所研制的弛豫鐵電體PMN-PT單晶材料(0.72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3)。根據實驗結果分析，該材料在臨界溫度附近的自發狀態(零電場)下，PNR形狀呈橢圓分布，長短軸尺寸分別為17nm和10nm；軸向方向[100]的外加電場將引起PNR長軸方向的重新取向，而這些取向主要分布在沿對角線方向[1±1±1]上。PNR極化和關聯方向的重新取向對弛豫鐵電體宏觀極化的形成有重要作用。
 
該實驗是實現弛豫鐵電體PNR結構直接觀測的一種新方法的嘗試，它不僅對弛豫鐵電體物理特性的微觀機理研究具有重要意義，而且，利用相干性能更好的光源(如第三代同步輻射或X射線自由電子激光)，該方法可進一步嘗試應用于鐵磁體、超導體等材料中的微結構及其動力學的研究。