原位透射助力研究纳米材料高温下持续挠曲电效应

编者按

具有反转极化特性的材料广泛应用于存储器件，传感器，致动器和换能器中。电介质的极化可以由不同的诱导因素诱导产生，例如通过压电机械应变诱导。与仅存在于非中心对称晶体结构中的压电效应不同，挠曲电效应存在于所有的晶体介电材料中。为了拓展介电材料的应用范围，现在关于挠曲电效应的研究原来越多。

从材料的角度来讲，与压电材料相比较，挠曲电材料有应用温度区间广、更加有利于环境变化等优势。因此挠曲电材料在传感、驱动方面呈现出的优良特性，使其在结构健康监测领域具有极大应用前景。而且在新型应变梯度传感器、新型压电复合材料、新型加速度传感器等方面的应用前景非常广阔。挠曲电效应最早是在液晶领域进行研究，现在其研究已经广泛分布于铁电材料、半导体材料以及生物材料等领域。

来自德国达姆施塔特工业大学的Leopold Molina-Luna研究团队近期发表于Nature Communications杂志上的文章“Enabling nanoscale flexoelectricity at extreme temperature by tuning cation diffusion”中报道了一种意外现象，即在极端温度下出现类似畴结构的纳米区域（DLNR），该现象就是由于挠曲电效应产生的。为了通过实验观察DLNR的形成，作者通过将透射电子显微镜（TEM）与DENSsolutions的热电耦合原位样品杆做结合来进行实验。Leopold等人首先将75mol％钛酸铋钠-25mol％钛酸锶（NBT-25ST）乙醇悬浮液滴在氮化硅芯片上，在TEM中，设置升温程序，通过芯片加热固态烧结得到核-壳结构纳米粉体，并通过TEM实时进行结构表征，观察核-壳结构的整个形成过程。同时，通过芯片上的电极在800°C下施加了高达±22 kV / mm的电场，测试样品的挠曲电效应并通过高分辨率成像观察整个反应的动力学过程。全部实验过程均在同一块原位芯片上完成。之前关于块状NBT-25ST的大量研究表明，纳米畴结构在350℃左右已经消失，此次实验研究中发现的畴结构在超高温度800℃下仍稳定存在。这一发现开辟了一门新兴的科学，必将推动其他高温挠曲电效应纳米材料的研究和开发。