弛豫铁电单晶中纳米极性微区与偶极缺陷的跨尺度相互作用研究

Complex perovskite relaxor-based ferroelectric solid solution is a kind of promising multi-functional material with excellent ferroelectric, piezoelectric, pyroelectricity, electric-optic performances. The polarities in these materials at multi-scale are generated due to the periodicity arranging in lattice and disorder occupation of atoms. For this project, the interaction between polar nano-regions and dipolar defects in PMNT and NBBT single crystals are studied, and also the dielectric properties are discussed as the result of this interaction. The investigations include the formation, freezing and the shape of the polar nano-regions, and involve the local structure, the active energy and orientation of dipolar defects et.al. The contribution of the interaction to dielectric response will be analyzed. Finally, the model of interaction mechanism between polar nano-regions and dipolar defects will be built by combining the experiments and theory. The project will be helpful to understand the nature of the relaxor-type phase transition, and will make much contribution to get a way to propose the performance of relaxor-based ferroelectric materials.

弛豫铁电体不仅是一类具有优异铁电、压电、热释电等性能的多功能战略性材料，而且升温过程中其表现出特殊的弛豫型相变行为。这源于其具有包括纳米极性微区和偶极缺陷在内的多尺度的极性结构，以及极性结构间存在跨尺度相互作用。本项目针对如何确定其中的纳米极性微区-偶极缺陷相互作用及其外场响应问题，以弛豫铁电单晶PMNT、NBBT为研究对象，观察纳米极性微区-偶极缺陷跨尺度相互作用使其结构发生的变化；研究引入相互作用前后，晶体弛豫相变过程中，宏观介电性能的变化效应；理论与实验相结合，探索相互作用机理。项目预期将揭示存在相互作用时纳米极性微区和偶极缺陷的结构变化规律，阐明离子掺杂和处理后晶体介电弛豫性质变化原因，建立以纳米极性微区-偶极缺陷相互作用为基础的材料结构-性能关系。项目成果对于理解弛豫型相变过程中介电特性的结构本质具有重要意义，可为探索结构调控方法以提高弛豫铁电单晶性能提供科学依据。

弛豫铁电单晶是一类新型多功能材料，在下一代医用超声换能器、红外传感器等器件中具有重要的应用。虽然经过了几十年的研究，弛豫铁电单晶的结构-性能本质关系仍然没有被很好的理解。本项目针对弛豫铁电单晶的多层次结构，利用拉曼光谱从宏观尺度研究了晶体相结构和相变；利用中子散射研究了纳米尺度极性微区的结构；利用变温介电频谱研究了缺陷的性质及其与纳米极性微区的跨尺度相互作用。揭示了弛豫铁电体准同型相界的结构本质；揭示了纳米极性微区的晶格动力学来源；发现了纳米极性微区与缺陷的跨尺度相互作用。本研究结果为构建准同型相界，进而发展高压电性能材料提供了理论基础；为丰富无序系统的结构及其晶格动力学行为提供了新的实例；为铁电体中跨尺度相互作用研究提供了新的角度。