Пьезоэлектрические материалы привлекают особое внимание благодаря их спонтанной поляризации и способности к доменной перестройке под воздействием внешнего поля; эти свойства обеспечивают им выдающиеся характеристики в таких областях, как энергонезависимая память, накопление энергии, пьезоэлектрический эффект, термоэлектрический эффект и фотогальванический эффект. В частности, пьезоэлектрический эффект, связанный с преобразованием механической энергии в электрическую и наоборот, широко применяется в ультразвуковых преобразователях, актуаторах и устройствах сбора энергии. Несмотря на то что свинцовые пьезоэлектрические керамики на протяжении длительного времени сохраняли лидирующие позиции на рынке благодаря своим исключительным пьезоэлектрическим свойствам, токсичность свинца представляет серьёзную угрозу для здоровья человека и окружающей среды. Поэтому поиск безсвинцовых заменителей пьезоэлектрических материалов стал важным направлением исследований; среди них материалы на основе BaTiO3, (Bi,Na)TiO3 и (K,Na)NbO3 привлекают внимание благодаря пьезоэлектрическим характеристикам, сопоставимым с такими у обычных PZT‑керамик.

В ответ на вышеуказанные проблемы исследовательская группа, состоящая из Института физики Китайской академии наук, Университета Китайской академии наук, Харбинского политехнического университета и Лаборатории материалов Суншаньху, провела углублённое исследование с использованием сканирующего электронного микроскопа ZEISS в режиме in situ. Они исследовали эволюцию сегнетоэлектрических доменов в монокристаллах (K,Na)NbO3 (KNN) при нагревании; данное исследование показало, что наблюдаемая в монокристаллах KNN термическая стабильность деформации и высокий термоэлектрический коэффициент связаны с термической устойчивостью сегнетоэлектрических доменов, а также выявило механизм усиления термоэлектрического эффекта в процессе фазового перехода. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Acta Materialia под названием «In situ observation of ferroelectric domain evolution of (K,Na)NbO3 single crystals during heating»; полный текст доступен по ссылке: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120316.

Основное содержание данной работы сосредоточено на изучении эволюции сегнетоэлектрических доменов в монокристаллах ниобата калия‑натрия (K,Na)NbO3 (KNN) при различных температурах, а также на влиянии этих процессов на термическую стабильность и пьезоэлектрические свойства материала. Исследовательская группа с помощью in situ‑метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) провела детальное наблюдение и анализ изменений сегнетоэлектрических доменов в монокристаллах KNN в ходе нагревания.

В исследовании первоначально была изучена термическая стабильность сегнетоэлектрических доменов в монокристалле KNN в диапазоне температур от 20 °C до 120 °C. Результаты эксперимента показали, что в указанном температурном интервале структура сегнетоэлектрических доменов остаётся стабильной и не претерпевает заметных изменений, что свидетельствует о термической устойчивости материала к деформациям. Далее учёные в диапазоне температур от 180 °C до 240 °C наблюдали зарождение и рост тетрагональной фазы (T‑фазы) в орторомбической фазе (O‑фазе); этот процесс сопровождается образованием и расширением новых сегнетоэлектрических доменов, что приводит к снижению макроскопической поляризации материала и, как следствие, усиливает термоэлектрический эффект.

В частности, вблизи температуры Кюри (Tc) исследования выявили промежуточное состояние — лабиринтовую доменную структуру, существующую между кубической фазой (C‑фазой) и тетрагональной фазой (T‑фазой). Эта лабиринтовая доменная структура рассматривается как промежуточное состояние в процессе C–T‑фазового перехода; её появление и исчезновение согласуются с поведением сегнетоэлектрических доменов и связаны с усилением термоэлектрического коэффициента материала.

В целом данное исследование не только прояснило механизм влияния эволюции сегнетоэлектрических доменов в монокристаллах KNN на термическую стабильность и термоэлектрические свойства материала, но и открыло новый взгляд на термический отклик сегнетоэлектрических материалов, что имеет важное научное значение и практическую ценность для разработки новых высокопроизводительных бессвинцовых пьезоэлектрических материалов.

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — отечественный производитель высококлассных прецизионных приборов, являющийся ведущим поставщиком решений для in situ‑характеризации с помощью электронной микроскопии; представленные ею… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлены используемые в данном исследовании in situ‑устройства: