兰州大学纳米压痕局部非均匀压力诱导下的弛豫铁电相变行为

　　JAP 131期封面文章
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　　研究内容
　　铁电材料是一类具有强力-电耦合特性的功能材料，其作为核心元器件在微电子电工、高精度传感器、换能器、储能装置等高新机电设备领域具有广泛而重要的应用。随着越来越多的铁电智能器件服役于多场环境，在复杂外场诱发的材料内部微结构的演化——畴变和相变，将直接影响到该类功能材料的电学、力学性能以及力-电耦合行为。同时，铁电智能器件的微型化、多功能化涌现出更多新问题和挑战性的课题。对于力学诱导的，特别是局部载荷（如纳米压头）作用下的非均匀力场所诱发的，铁电材料内部的电畴微结构演化以及不同铁电相间的转变机理等目前尚缺乏深入研究和相互作用机制的揭示。
　　在弛豫铁电材料纳米压痕下的相变特征研究方面，兰州大学电磁固体力学研究组已开展了PMN-0.3PT单晶的纳米压痕实验研究，首次观测到载荷-位移曲线中的多个pop-in现象（如图1所示）；基于拉曼散射实验确定了该pop-in现象与材料的R→T相的相变密切关联。尽管这一实验新现象表明了可通过压痕位移曲线反映力诱发相变的可能性，但目前尚未有对此实验现象中所对应铁电材料电畴微结构的直接观测及其相变演化特征的直接证据。
　　为解决以上问题， 兰州大学王省哲教授课题组针对弛豫铁电材料纳米压头作用下的局部非均匀载荷情形，建立了表征力诱导电畴翻转和相变演化的相场模型，系统研究了PMN-0.3PT单晶在压头加载过程中的力学和相变行为,  通过分析压头下方的应力分布及能量演化特征，解释了压头加载导致材料发生局部相变的机制，模拟揭示了pop-in现象与铁电相变的关联性。结果表明：局部R相到T相的相变是载荷-位移曲线中出现pop-in现象的根本原因（如图2所示），压头下方的剪切应力促使材料发生R相内电畴翻转，正应力则促使材料发生R→T相变（如图3所示），由此解释了基于机械压痕的pop-in现象实现铁电材料的相变表征的实验观测结果。其次，不同压头（如锥形、球形、圆柱形）均能诱导铁电材料的相变，且压头几何形状对材料相变有显著影响，几何尺寸增大使得压头下方的应力集中减小，相变的临界载荷增加（如图4所示）。不同压头形状下的应力非均匀分布显著不同，Berkovich锥形压头下的应力最大，其相变区域也最大，最易诱发相变；由于接触面积大，圆柱形压头下的应力最小，不易诱发相变（如图5所示）；此外，外部电场对压头载荷导致的局部相变产生抑制或促进作用，其依赖于外加电场方向与铁电材料初始极化状态之间的关系。
　　力学诱导的铁电畴变和微结构调控为非电学驱动的 ＂力写畴＂信息存储新模式提供了一种可能，极具优势和未来应用潜力。本文工作可望为力-电联合加载进行铁电材料相变与电畴结构的调控提供理论指导。该论文入选 Journal of Applied Physics 期刊2022年第131期封面论文和Featured Paper，第一作者祁常君为王省哲教授指导的博士研究生，蒋一萱副教授为共同作者和副导师。
　　图1 单晶纳米压痕实验中的载荷-位移曲线（Man G, Jiang Y, Wang X.  Journal of the American Ceramic Society.  2022, 105(8): 5222-5229.）
　　图2 (a)压头加载过程中的载荷-位移曲线，(b)压头下方极化分量随载荷变化曲线，(c)不同载荷下力诱导的电畴结构分布化
　　图3 Pop-in现象所对应的压头下方局部区域的电学与力学特征：(a)电畴结构分布，(b)剪切应力分布 ，(c)正应力分布
　　图4 加载过程中不同类型压头加载下铁电材料的载荷-位移曲线：(a)Berkovich锥形压头，(b)球形压头，(c)圆柱形压头
　　图5不同类型压头加载（(i) Berkovich压头; (ii)球形压头; (iii)圆柱形压头）的铁电材料力-电响应：(a)电畴结构分布，(b)正应力分布
　　Phase transition by nanoindentation in a relaxor ferroelectric single crystal PMN-0.3PT: A phase-field investigation 成功发表在 Journal of Applied Physics  期刊131期，并被选为封面文章。
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　　原文信息
　　标题
　　Phase transition by nanoindentation in a relaxor ferroelectric single crystal PMN-0.3PT: A phase-field investigation featured
　　期刊
　　Journal of Applied Physics  131, 244101 (2022)
　　作者
　　Changjun Qi, Yixuan Jiang, Xingzhe Wang, and Christopher S. Lynch
　　链接
　　https://doi.org/10.1063/5.0090419
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　　关于AIP出版社
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