近日，乌镇实验室联合清华大学、北京邮电大学、西安交通大学等单位在材料科学领域顶级期刊《Advanced Materials》上发表了题为Field-induced polarization rotation in order-disorder (K,Na)NbO3-based ferroelectrics（有序-无序铌酸钾钠基铁电材料中的电场诱导极化旋转）的科研论文，乌镇实验室特聘研究员张茂华、清华大学汤浩正博士为论文的共同第一作者，西安交通大学赵倡皓副教授、北京邮电大学毕科教授等为本论文的共同通讯作者。
压电材料可以实现电能和机械能的相互转换，是信息通讯、生物医疗、军工国防领域中驱动器、传感器、换能器的关键功能材料。以铌酸钾钠（KNN）为代表的无铅压电陶瓷材料因其具有低密度、高机电耦合性能、优良的温度稳定性和环境友好等优点，成为备受关注的研究热点。
此研究发现，虽然材料的长程平均晶体结构可以很好地被R-T共存结构模型和Rietveld精修方法拟合，但是基于中子全散射和对分布函数（PDF）分析的局域结构表征表明，Nb离子的位移矢量位于<001>PC和<111>PC之间的单斜MA极化平面内，且具有显著的局域无序特征。利用原位同步辐射研究了材料在电场下的动态结构响应，材料在电场下的平均结构变化既可以被菱方-四方（R-T）的场致相变行为描述，又具有显著的极化旋转特性，与极化矢量相关的旋转角在电场下表现出类似蝴蝶曲线的滞回特性。分子动力学（MD）模拟进一步证实，在零电场状态下Nb离子的位移具有显著的无序特性，与PDF分析结果相符；在电场作用下，无序的局部极化呈现出有序化的趋势。基于以上发现，此研究提出了一个基于朗道理论的定性模型，用以比较无序系统和有序系统对电场响应的差异，并讨论了有序-无序调控对材料宏观电学性能的潜在影响。这一模型不仅增强了我们对铁电材料电响应机制的理解，也为未来铁电材料的设计与应用提供了重要的理论依据。
图1: KNN-BZ6材料的平均结构与局部晶格结构：（a）Rietveld精修结果，揭示了R相和T相的共存；（b）基于中子衍射的RMC拟合结果；（c）基于RMC计算模型的PDF与理想R相的径向分布函数对比；（d）从<001>PC方向观察的Nb相对于O离子位移的立体投影图。
图2:电场下的结构变化：（a）原位变电场同步辐射表征下KNN-BZ6材料的结构变化；（b）200峰形随电场的变化；（c）单斜Ma相、T相、R相的极化矢量示意图；（d）基于LeBail拟合得到的电场下的晶格参数β角变化；（e）极化旋转过程的示意图，旋转角度θ与Ma相的β角相关。
图3: 分子动力学模拟结果：（a）没有外部电场时Nb离子自发位移的分布；（b）外部电场沿[111]PC方向时Nb离子自位移的分布；（c）和（d）分别展示了在[001]PC方向的Nb离子位移立体投影图。
图4: 电场对有序和无序铁电系统的影响：（a）以自发极化沿着[001]PC方向的四方相为例，当极化沿着[-1-11]PC→ [001]PC→ [111]PC演化时，有序与无序铁电体系的自由能曲线变化。（b）有序体系和（c）无序体系中自由能曲线对沿[111]PC方向施加的电场的响应变化。（d–f)相应的极化分布，其中分布的宽度用括号强调。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413587?af=R
《Advanced Materials》是工程与计算大学科、材料与化学大领域（包含材料化学，材料物理，生物材料，纳米材料，光电材料，金属材料，无机非金属材料，电子材料等等非常多的子学科，以及非常大量与材料相关的研究领域）的顶尖期刊，在国际材料领域科研界上享誉盛名，具有很高的影响力和学术认可度，中科院分区为1区，目前最新影响因子为29.4。
原文始发于微信公众号（乌镇实验室）：科研进展 | 乌镇实验室研究成果荣登材料学顶刊！
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