近日，上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料国家重点实验室郭益平教授课题组在缺陷偶极子调控铁电材料的极化与应变行为的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Deciphering the Effect of Defect Dipoles on the Polarization and Electrostrain Behavior in Perovskite Ferroelectrics” （https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03042）为题发表于国际知名学术期刊Nano Letters上。
钙钛矿结构的铁电材料在压电传感和驱动、电光调制、介电储能、非易失性存储等领域受到广泛关注。点缺陷或缺陷偶极子的引入和调控可以改善钙钛矿铁电材料的压电性质、储能性质和温度稳定性，例如课题组前期的系列工作利用缺陷偶极子与铁电畴的耦合作用在低电场下获得了低滞后、耐疲劳、温度稳定的高应变（Science 2022, 378, 1125-1130，Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2306416, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214643）。然而，在缺陷偶极子对极化和压电应变的影响方面仍然存在疑团：（1）传统观点认为宏观取向排列的缺陷偶极子一定会产生内偏场，但事实发现并不是所有缺陷偶极子都能产生内偏场；（2）学界近年来利用缺陷偶极子获得的不对称大应变行为普遍与传统理论中的规律矛盾。针对上述问题，研究人员提出，只有净电荷为零的缺陷偶极子会产生内偏场；净电荷不为零的缺陷偶极子会吸引第三个电荷分布在周围，而第三电荷位置的不确定性阻碍了内偏场的建立。在Fe掺杂KNN陶瓷中使Fe元素降价，观察到内偏场消失，证实了内偏场建立的条件是缺陷偶极子净电荷为零。研究认为缺陷偶极子在宏观定向后会产生额外的极化，考虑这部分极化后，的传统理论可适用于近年发现的不对称大应变现象。研究中还利用相场模拟验证了缺陷偶极子的弹性效应会带来额外极化，可以在不产生内偏场的前提下获得高度不对称的应变行为。这项研究解决了缺陷偶极子调控机制方面长期存在的问题，增进了对缺陷偶极子性质的理解，完善和发展了铁电材料的点缺陷相关理论。
图1 缺陷偶极子对铁电材料极化行为的影响
图2 相场模拟表明缺陷偶极子的弹性效应对极化和应变行为的影响
材料学院已毕业博士生皇甫庚（目前为新加坡国立大学博士后）和在读博士生王杰为论文的共同第一作者，郭益平教授和南京理工大学刘震教授为通讯作者，章海明教授及新加坡国立大学的陈景升教授也参与了研究。这项研究获得了国家重点研发计划（2022YFA1205300和2022YFA1205304）、国家自然科学基金（52032012）和江苏省自然科学基金（BK20220923）的资助。
