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分析测试中心助力材料学院教授团队无铅压电薄膜研究取得突破

来源:西安交通大学时间:2021-07-08

西安交大金属材料强度国家重点实验室武海军、丁向东、孙军教授团队与分析测试中心电镜团队合作开展无铅压电薄膜性能研究,相关研究成果“Alkali-deficiency driven charged out-of-phase boundaries for giant electromechanical response”近日Nature Communications上发表。论文第一作者和通讯作者为武海军教授,西安交通大学为该论文第一作者和通讯作者单位。

在现有压电薄膜研究中,武海军教授团队曾提出采用无掺杂的设计思路制备高性能无铅铌酸钠(NaNbO3,NNO)单晶外延压电薄膜,可获得约(d33~ 1100 pC/N)的巨大压电系数,是已知性能最高的无铅薄膜的四倍,铅基薄膜的两倍。本研究中研究团队在未掺杂的NNO中首次发现了全新的高密度的纳米结构“柱状纳米反相畴”,在理论形成能计算揭示柱状纳米反相畴及其反相界面的形成机理的基础上,利用分析测试中心电镜并与技术人员共同开展结构表征分析,即针对该柱状纳米反相畴及其反相畴界进行定性和定量的原子畸变和极化分析,尤其对于反相界面的结构畸变、极化态和价态进行定量的表征,结合相场理论计算揭示其结构和性能的关联性。支撑学科团队就柱状纳米反相畴形成机理、相关结构对薄膜压电性能提升的作用机制以及该结构特征优化及应用领域开展研究。

研究发现带电的闭合反相畴界呈现头对头/尾对尾的极化态,提供强的局域退极化场,有利于电偶极子在短程有序的反相畴和长程有序的基体之间灵活地旋转,进而增强薄膜在外场下的压电响应。上述结构和物理机制的揭示为性能的进一步提升提供了指导。无掺杂的设计思路很好地避免了传统的复杂组分设计带来的弊端,利用材料本征的点缺陷进行调控,在长程基体中自组装地形成短程有序结构,为高性能无铅压电薄膜的设计开辟了全新途径。

先进透射电镜定性和定量结构表征揭示材料的结构和物理机理

本研究工作的大量微观结构表征研究利用学校分析测试中心的透射电镜样品制备设备、场发射透射电镜开展。为进一步支撑学科发展,学校分析测试中心最新采购两台球差校正电镜:300kV双球差校正电镜JEOL JEM-ARM300F2和200kV聚光镜球差校正电镜JEOL JEM-ARM200F(NEOARM),配置了最先进的12极子球差矫正器,可实现一键自动球差参数调节,同时配置了超大面积能谱EDS(2×158 mm2)、电子能量损失谱EELS (GatanGIF 1065)、8分割STEM探头、4D-STEM、以及多种原位样品杆。同时配置聚焦离子束电镜Thermo Scientific™ Helios™ 5 UX DualBeam,具有极高的低电压离子束分辨率,可有效降低高压离子束对样品损伤的同时实现低压离子束精细地减薄和清理,扩展了透射电镜样品制备的范围。未来将同中心已有的两台场发射透射电镜、两台场发射扫描电镜、一台X射线成像(XRM)等电镜设备形成功能互补,可实现微米-纳米-原子-皮米级分辨率的结构成像、成分分析及原位动态表征等。

武海军教授为材料学院和金属材料强度国家重点实验室教授,曾任新加坡李光耀博士后研究员(Lee Kuan Yew Postdoctoral Fellow),以(共同)第一/通讯作者发表IF>10的文章45篇,包括ScienceNat Commun3篇Adv Mater系列 9篇、JACS 8篇PNASEES 7篇等;SCI 被引>6500次,因子44。在加入西安交通大学后拟开展基于点缺陷序构优化铁电/热电材料的极化响应和电声输运研究。分析测试中心作为署名单位并为整个研究工作的开展提供支持。该研究同时得到了西安交大青年拔尖人才计划等项目的支持。

相关文章链接:

Ø Nature Communications工作:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23107-x

Ø Science工作:https://science.sciencemag.org/node/747153.full