鉛鋯鈦酸鹽（PZT）作為壓電陶瓷領(lǐng)域的基石材料，憑借其卓越的電聲轉(zhuǎn)換性能在工業(yè)與學(xué)術(shù)界占據(jù)重要地位。在菱面體相PZT的研究中，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種類似于反鐵電體的“束腰型”電滯回線現(xiàn)象。早期的觀點(diǎn)將其歸因于氧八面體旋轉(zhuǎn)對(duì)長(zhǎng)程極化有序的破壞，而隨后的研究則傾向于認(rèn)為有序缺陷產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)才是該現(xiàn)象的根源。通過(guò)淬火處理使缺陷處于無(wú)序狀態(tài)，可以有效消除這種束腰特性，這為調(diào)控極化行為提供了重要途徑。然而極化行為在本質(zhì)上與鐵電領(lǐng)域的疇運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，疇及其壁面結(jié)構(gòu)構(gòu)成了這些物理特性的最終微觀表現(xiàn)。

當(dāng)前的重大挑戰(zhàn)在于如何深入理解淬火過(guò)程對(duì)疇壁動(dòng)力學(xué)的具體調(diào)節(jié)機(jī)制。盡管研究已證實(shí)疇壁在介電和壓電響應(yīng)中起著關(guān)鍵的中介作用，但在多晶體系中，區(qū)分本征離子位移與非本征疇相關(guān)貢獻(xiàn)仍具有復(fù)雜性。特別是對(duì)于不同摻雜類型的PZT陶瓷，淬火引起的疇結(jié)構(gòu)從微米級(jí)到納米級(jí)的演化規(guī)律及其對(duì)疇壁密度的影響尚缺乏系統(tǒng)的微觀表征。如何精準(zhǔn)控制疇尺寸并建立可靠的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)模型，以實(shí)現(xiàn)壓電性能的定量?jī)?yōu)化，依然是該領(lǐng)域有待突破的核心課題。 

針對(duì)上述問(wèn)題，由武漢理工大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用受控淬火工藝實(shí)現(xiàn)了PZT陶瓷疇結(jié)構(gòu)從微米級(jí)向納米級(jí)的轉(zhuǎn)變，并結(jié)合壓響應(yīng)力顯微鏡（PFM）與原位拉曼光譜深入揭示了疇壁密度增加與內(nèi)部應(yīng)力演化對(duì)釋放“束腰型”電滯回線及大幅提升壓電性能的微觀耦合機(jī)制。

標(biāo)題：Probing ferroelectric domain-polarization coupling mechanisms in polycrystalline PZT ceramics

期刊：Ceramics International

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.12.067

針對(duì)PZT陶瓷中普遍存在的疇極化耦合機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開(kāi)展了受控淬火實(shí)驗(yàn)以調(diào)節(jié)三種典型成分的疇行為。通過(guò)將純PZT、錳摻雜及鈮摻雜的75/25PZT陶瓷加熱至居里溫度以上并快速水淬，實(shí)驗(yàn)成功打破了傳統(tǒng)慢冷過(guò)程中的能量平衡路徑。這種熱處理方式旨在通過(guò)限制疇的自發(fā)極化傳輸，誘導(dǎo)材料內(nèi)部產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)演化，從而為解決菱面體相PZT陶瓷中的束腰型電滯回線問(wèn)題提供物理依據(jù)。

圖 展示了三種成分陶瓷的 SEM 圖像及晶粒尺寸分布，分別為：75/25PZT、Mn-75/25PZT 和 Nb-75/25PZT 。其中，圖 (a1)、(b1)、(c1) 顯示的是燒結(jié)態(tài)樣品，而圖 (a2)、(b2)、(c2) 則對(duì)應(yīng)展示了淬火處理后的樣品

材料的斷口形貌與晶粒分布特征對(duì)于理解性能演變具有至關(guān)重要的作用。在對(duì)燒結(jié)態(tài)與淬火態(tài)樣品的顯微結(jié)構(gòu)表征中，研究人員利用澤攸科技的ZEM系列臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的斷裂表面進(jìn)行了高分辨率成像觀察。臺(tái)式掃描電鏡的觀測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)證實(shí)了淬火過(guò)程并未顯著改變陶瓷的平均晶粒尺寸，其數(shù)值在淬火前后僅呈現(xiàn)出微小的統(tǒng)計(jì)學(xué)波動(dòng)。這一高信度的微觀形貌數(shù)據(jù)排除了晶粒尺寸變化對(duì)電學(xué)性能提升的貢獻(xiàn)，確保了后續(xù)關(guān)于疇壁動(dòng)力學(xué)研究的準(zhǔn)確性。

圖 展示了三種成分陶瓷在淬火前后的PFM相位圖像 。圖 (a1) 和 (a2) 描繪了純 75/25PZT 的疇構(gòu)型，而圖 (b1)、(b2) 和 (c1)、(c2) 則分別展示了錳（Mn）摻雜和鈮（Nb）摻雜 75/25PZT 的對(duì)應(yīng)圖譜 。為了便于對(duì)疇結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，圖 (d1) 和 (d2) 提供了這三種成分在淬火過(guò)程前后的疇特征增強(qiáng)可視化圖像

疇結(jié)構(gòu)的尺度轉(zhuǎn)變是淬火誘導(dǎo)性能增強(qiáng)的核心微觀機(jī)制。PFM的直接成像揭示了75/25PZT和錳摻雜PZT陶瓷在淬火后，其疇結(jié)構(gòu)從微米級(jí)的規(guī)則條帶狀顯著細(xì)化為納米級(jí)的隨機(jī)分布狀態(tài)。根據(jù)疇壁能量密度的物理模型，疇尺寸的減小直接導(dǎo)致了疇壁密度的增加，從而顯著降低了單位面積的疇壁能。這種由微米疇向納米疇的演化有效增強(qiáng)了疇壁的運(yùn)動(dòng)活性，為材料介電響應(yīng)潛力的釋放奠定了微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖 (a1), (b1), (c1), (a3), (b3), (c3) 展示了這些樣品在溫度變化過(guò)程中原位拉曼光譜演變的 3D 可視化圖像 。圖 (a2), (b2), (c2), (a4), (b4), (c4) 則對(duì)應(yīng)展示了這些樣品在溫度變化過(guò)程中的原位拉曼光譜等高線圖

微觀結(jié)構(gòu)的重組最終體現(xiàn)在宏觀電學(xué)性能的質(zhì)變上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明確顯示，純PZT與錳摻雜PZT陶瓷在淬火后成功消除了束腰型電滯回線，其壓電電荷常數(shù)分別獲得了36%和37%的顯著提升。基于瑞利定律的擬合分析進(jìn)一步量化了介電貢獻(xiàn)的來(lái)源，證實(shí)了可逆與不可逆介電響應(yīng)的增強(qiáng)均源于淬火引入的高遷移率疇壁。這些發(fā)現(xiàn)不僅闡明了鐵電疇與極化耦合的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程，也為通過(guò)納米工程手段優(yōu)化多晶陶瓷的壓電性能提供了標(biāo)準(zhǔn)化的理論框架。

圖 1kHz 頻率下，偏置電場(chǎng)在?2kV/mm 至 + 2kV/mm 范圍內(nèi)循環(huán)變化時(shí)，介電常數(shù)與損耗角正切值（tanδ）的變化曲線。本實(shí)驗(yàn)選取三種成分的樣品開(kāi)展測(cè)試：（a1）、（a2）為 75/25 鋯鈦酸鉛（75/25PZT）樣品；（b1）、（b2）為摻錳 75/25 鋯鈦酸鉛（Mn-75/25PZT）樣品；（c1）、（c2）為摻鈮 75/25 鋯鈦酸鉛（Nb-75/25PZT）樣品。針對(duì)每種成分的樣品，同步給出了燒結(jié)態(tài)樣品（黑色曲線）與淬火態(tài)樣品（紅色曲線）的對(duì)比數(shù)據(jù)

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，能夠更廣泛地應(yīng)用于新材料研發(fā)、生命科學(xué)、失效分析、工業(yè)質(zhì)檢等多個(gè)領(lǐng)域，為廣大科研院所和企業(yè)用戶提供了一套兼具高性能與高性價(jià)比的強(qiáng)大微觀表征解決方案。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡