Сегнетоэлектрические материалы Он широко применяется в таких областях, как актуаторы, преобразователи и многослойные керамические конденсаторы, при этом управление его свойствами играет ключевую роль для реализации функциональных возможностей. В настоящее время усиление внешнего вклада сегнетоэлектриков является важным путём повышения их характеристик; среди распространённых стратегий регулирования — Инженерия сопротивления деформации 、 Инженерия границ фаз 、 Точечные дефекты легирования и т. д. Однако, хотя точечные дефекты‑допанты широко применяются, их недостаточная термическая и полевая стабильность ограничивает их практическое использование. В отличие от этого Дислокация Обладает более высокой термической стабильностью и играет ключевую роль в стабилизации сегнетоэлектрической фазы, а также в ускорении зарождения доменов и закреплении доменных стенок. Дислокации также способны за счёт локального поля деформации изменять состояние атомной поляризации, тем самым влияя на макроскопические свойства материала. Например, ранее показано, что введение направленной сети дислокаций посредством механического прессования позволяет… Монокристалл титаната бария Электромеханический отклик увеличивается в 19 раз, а локальное поле деформации, индуцированное дислокациями, дополнительно несколько повышает свойства материала. Температура Кюри Кроме того, было доказано, что дислокации способны значительно усиливать свойства монокристаллов титаната бария. Пьезокатализация Это открывает новые перспективы для функционального управления свойствами керамических материалов.

Несмотря на то что функциональная роль дислокаций в сегнетоэлектрических материалах уже была предварительно подтверждена, их конкретные механизмы влияния на поляризацию окружающих атомов и эволюцию доменной структуры остаются неясными. Существующие исследования преимущественно сосредоточены на теоретическом моделировании и тонкоплёночных системах, тогда как работы, посвящённые массивным материалам — обладающим гораздо более широкими перспективами применения, — относительно редки. Это объясняется главным образом жёсткими свойствами ионных и ковалентных связей в функциональных керамиках, затрудняющими введение дислокаций, а также ограничениями традиционных методов, таких как низкая плотность дислокаций или образование сложных дефектов. Хотя метод однаксиального сжатия позволяет контролируемо вводить определённые структуры дислокаций, механизмы взаимодействия дислокаций с доменной структурой пока требуют более глубокого изучения. В частности, вопросы о том, как дислокации влияют на поляризацию на атомном уровне, какие именно условия делают их центрами зарождения доменов, а также о эффекте защёлкивания при совмещении линий дислокаций с доменными стенками, до сих пор не получили прямого экспериментального подтверждения.

В связи с вышеуказанными проблемами, от Центрально-Южный университет Исследовательская команда, состоящая из…, использовала Временная ТЭМ-система Zeyou Technology Проведённое углублённое исследование позволило непосредственно наблюдать динамическое влияние дислокаций на атомную поляризацию, эволюцию доменной структуры и кинетику доменных стенок в монокристаллах BaTiO₃; впервые были представлены прямые экспериментальные данные, подтверждающие роль дислокаций как «центров зарождения доменов» и «точек защёлкивания доменных стенок», а также раскрыт механизм регулирования функциональных свойств материала, обусловленный неоднородным распределением дислокаций. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Advanced Physics Research под заголовком «Наблюдение влияния дислокаций на атомную поляризацию и доменную структуру в BaTiO₃».

Исследовательская группа с помощью метода высокотемпературного одноосного сжатия осуществила контролируемое введение в монокристалл BaTiO₃ высокоуплотнённой дислокационной сети типа {100}<100> и с помощью многоуровневых методов характеризации раскрыла взаимодействие дислокаций с доменной структурой. В прямом наблюдении с использованием корректированной по аберрациям просвечивающей электронной микроскопии были выявлены пространственные особенности распределения дислокаций, включая линейные дислокации, сконцентрированные в полосах скольжения, а также дислокационные кольца. С помощью твёрдотельного ядерного магнитного резонанса (SS‑NMR) на основе угловозависимого количественного анализа сигнала ¹³⁷Ba была оценена долевая составляющая доменных структур при различных направлениях поляризации, тогда как метод синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопии (SXDM) впервые позволил непосредственно подтвердить в объёмном материале уникальную структуру, в которой 90°‑домены a–a сосуществуют с дислокациями.

Высокоразрешающая ТЭМ‑микроскопия в сочетании с анализом векторов смещений атомов показала, что ядро дислокации существенно нарушает поляризационное состояние окружающих атомов. В месте пересечения дислокации и доменной стенки локальная деформация, вызванная дислокацией, приводит к необычно сильному увеличению или ослаблению компоненты поляризации в плоскости соседних атомов. Особо следует отметить, что сама линия дислокации проявляет поведение, подобное доменной стенке: по обе стороны от неё атомы демонстрируют ортогональную внутриплоскостную поляризацию, формируя нетипичный путь поворота доменов на 90°.

С помощью экспериментов ПЭМ в режиме in situ под действием электрического поля впервые удалось в реальном времени зафиксировать двойную функцию дислокаций в доменной динамике: они выступают одновременно центрами зародышевого роста и узлами пиннинга доменных стенок. Эксперименты показали, что при приложении электрического поля новые домены преимущественно зарождаются вдоль линии дислокации и распространяются наружу; при этом сама линия дислокации может препятствовать движению доменных стенок либо перекрываться с ними, что приводит к крайне неоднородному развитию доменной структуры.

Исследование подчёркивает, что неоднородность пространственного распределения дислокаций является ключевым фактором управления функциональными свойствами материалов. ЯМР и SXDM подтвердили, что локальные градиенты деформации и заряда, индуцированные дислокациями, обусловливают сосуществование различных типов доменов, а различия в плотности дислокаций приводят к существенно отличающемуся отклику разных участков на электрическое поле. Эта неоднородность объясняет микроскопический механизм значительного улучшения электро‑механических характеристик BaTiO₃ после механического импринтинга.

В данной работе с помощью атомно‑масштабной поляризационной микроскопии и in situ‑отслеживания доменной структуры было подтверждено, что дислокации за счёт воздействия деформационного поля и электрических эффектов возмущают поляризацию окружающих атомов, а также выступают в роли центров зародышевого роста доменов и узлов закрепления доменных стенок, определяя динамику их эволюции. Эти результаты предоставляют прямые экспериментальные основания для «инженерии дислокаций» как подхода к оптимизации свойств сегнетоэлектриков и указывают на необходимость дальнейших исследований, предполагающих использование методов с ещё более высоким разрешением для детального анализа атомной конфигурации и распределения зарядов в системе взаимодействия дислокаций и доменных стенок.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в данной работе: