孪晶结构的局域应变场对铁电畴翻转行为的影响机制研究

In ferroelastoelectrics, twin structures are crucially important and being intensively explored. One open question is: how do the local strain fields of twin structures affect electric domain structures and domain switching in atomic scale? This project, by using Molecular Dynamics simulations, systematically investigates the microstructure evolution of ferroelastoelectrics under external electric and stress field, and explores the corresponding statistical behaviors. Firstly, we focus on the static twin structures with different spacings of plannar twin walls and densities of twin wall junctions, and study how their local strain fields affect the electric domain structures and 180° domain switching. Secondly, we focus on the movement of needles and kinks during twinning and investigate the influence of their local strain fields on the electric domain structures, the interactions between twin walls and 180° electric domain walls are also explored. This project clarifies the interacting mechanism between twin walls and electric domain walls. The achievements would deepen the understanding of electromechanical coupling in ferroelectric materials and shed new light on the strain tuning of ferroelectrics via microscopic twin structures.

在铁弹性铁电材料中，孪晶结构与电畴翻转行为密切相关，已成为铁电材料领域的研究热点之一。然而，孪晶结构的局域应变场对电畴结构和电畴翻转行为的影响这一关键因素，尚缺乏系统、深入的研究。本项目拟采用分子动力学方法，通过研究铁弹性铁电材料在电场和力场作用下的微观组织演化规律及其统计学行为，阐明孪晶结构与电畴结构的交互作用机制。首先，研究静态孪晶结构（孪晶界间距、孪晶界结点密度）形成的局域应变场对电畴结构和180°电畴翻转的影响；其次，研究孪晶变形过程中扭折、针状孪晶等结构在外场作用下的响应行为及其局域应变场对电畴结构的影响，探究其与180°电畴壁的交互作用。研究成果有助于深化理解铁电材料中孪晶结构的应变与极化耦合关系，揭示孪晶界与电畴壁的交互作用机制。在此基础上，为通过控制孪晶结构的局域应变场来实现对铁电材料宏观性能的调控提供理论依据，为基于应变工程的铁电材料性能调控提供新思路。

项目针对铁弹性铁电材料中孪晶结构与电畴结构的交互作用关系,采用分子动力学方法，研究铁弹性铁电材料在电场和力场作用下的微观组织演化规律及其统计学行为。研究发现，90°畴界（孪晶界）比180°畴界运动能垒更低，其运动依靠扭折的运动实现。扭折产生局域应变场，其内部极化具有头对头或者尾对尾结构。畴翻转过程中，不稳定畴易产生针状90°畴(孪晶)，形成后迅速向针尖方向扩展直至贯穿材料形成平面孪晶界或与平面孪晶界形成结点。当针状孪晶与平面孪晶界形成结点时，在结点附近出现圆角过渡。结点处的圆角过渡由于应力集中，成为扭折的发生源，使90°畴翻转临界电场降低。畴翻转行为具有明显的温度效应。低温时，畴翻转以90°畴界运动为主；在中等温度时会出现180°畴界和90°畴界的交互作用。180°畴优先在90°畴界（孪晶界）处形核并扩展，形成复杂畴结构。当180°畴界和孪晶界接近时，出现排斥现象，使孪晶界出现宏观弯曲。当温度升高至相变温度时，畴结构消失，应变场呈现动态花格布结构。对于具有铁电性孪晶界的铁弹材料，当孪晶界、扭折等结构出现在表面时，其复杂的局域应变场导致了极化方向和强度的改变，进而影响材料表面电势。影响电势场的因素涉及到表面电性、极化方向和表面几何形貌。相比而言，表面电性的影响占主导作用。当表面呈电中性时，极化引起的电势场效应才能体现出来。项目对畴翻转统计学行为的研究表明，畴结构的复杂性及其畴翻转能量统计学行为与温度相关。畴界密度同时受弹性能积累和温度影响，在Vogel-Fulcher温度附近达到最大值。研究成果不但有助于理解铁电材料中孪晶结构的应变与极化耦合关系，而且为通过控制孪晶结构的局域应变场来实现对铁电材料宏观性能的调控提供理论依据，为基于应变工程的铁电材料性能调控提供了新思路。