APL－上海应用物理所等－弛豫铁电体材料研究

中科院上海应用物理所、中国科大国家同步辐射实验室和中科院上海硅酸盐研究所合作，采用同步辐射X射线散斑方法，在弛豫铁电体材料极化纳米区域空间构造的实验研究中取得重要进展，发现PNR极化和关联方向的重新取向对弛豫铁电体宏观极化的形成有重要作用。该成果日前发表于《应用物理快报》（APL）。
 
弛豫铁电体材料具有优异的压电、电致伸缩等特性，广泛应用于超声设备、传感器等，并有可能用于人工智能、神经网络等领域。其优异性能被认为源自材料内大量的极化纳米区域(Polar Nano-Region，简称PNR)。长期以来，人们对PNR的实验观测多是采用间接的实验手段，如基于对晶格振动(声子)研究的非弹性中子散射和拉曼散射，或基于晶格位移的X射线漫散射等。因此，寻找一种能直接反映PNR结构信息的无损伤观测方法，对于从微观角度了解PNR结构及其功能具有重要意义。
 
X射线散斑方法是随着X射线光源的发展而新近出现的实验方法，通常可用于直接观测物质相变过程中微小的无序结构及其动力学。上海应用物理所科研人员通过自行研制的高温高电压装置，并改进现有实验配置，首次观测到了弛豫铁电体相变过程中的X射线散斑图样，据此得到了与PNR尺度相关的重要参数。该实验在合肥光源X射线衍射与散射实验站完成，实验中的样品为上海硅酸盐所研制的弛豫铁电体PMN-PT单晶材料(0.72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3)。根据实验结果分析，该材料在临界温度附近的自发状态(零电场)下，PNR形状呈椭圆分布，长短轴尺寸分别为17nm和10nm；轴向方向[100]的外加电场将引起PNR长轴方向的重新取向，而这些取向主要分布在沿对角线方向[1±1±1]上。PNR极化和关联方向的重新取向对弛豫铁电体宏观极化的形成有重要作用。
 
该实验是实现弛豫铁电体PNR结构直接观测的一种新方法的尝试，它不仅对弛豫铁电体物理特性的微观机理研究具有重要意义，而且，利用相干性能更好的光源(如第三代同步辐射或X射线自由电子激光)，该方法可进一步尝试应用于铁磁体、超导体等材料中的微结构及其动力学的研究。