外电场下PMN-xPT单晶晶格演变及畴翻转实时观测及动力学研究

High performance piezoelectric materials have important application in national defense, medical treatment and other areas. PMN-xPT and other relaxor-based ferroelectrics are highly expected for their ultrahigh piezoelectric properties. The electric-field-induced crystal lattice evolution and domain switching path in relaxor-based ferroelectrics are critical factors that affect the piezoelectric properties. However, the in-situ observation and kinetic study of the electric-field-induced structural evolution are lacking. In this project, by combined using the piezoresponse force microscope, polarization light microscopy, X ray diffraction (XRD)-2D-reciprocal space mapping (RSM), and the newly developed fast high-resolution XRD-3D-RSM, we will perform a series of in-situ investigations and kinetic studies about the electric-field-induced structure evolution in PMN-xPT single crystals with different PT content and crystal orientations. We aim to form a visualized and quantitative understanding and a series of structure evolution models about the complex structure evolution under electric field in different PMN-xPT single crystals. What’s more, we can feed the structural investigation results back to the sample treatment process, and this will be helpful in the electric-field-control of structure evolution process. Our results will be helpful to the piezoelectric property optimization of PMN-xPT single crystals, and will provide some guide lines to explore the origin of ultrahigh piezoelectric properties in relaxor-based ferroelectrics.

高性能压电材料在国防与医疗等领域中均有重要应用。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)等弛豫铁电单晶因具有巨压电性而被寄予厚望。电场作用下弛豫铁电单晶的晶格演变和畴翻转路径是影响其性能的重要因素，然而，目前的结构研究提供的大多是相变前后的最终状态，对结构演变的实时观测及动力学分析较为缺乏。本项目结合压电力显微镜、高分辨偏光显微镜、以及先进的快速高分辨三维X射线衍射倒易空间成像技术，对不同组分/取向的PMN-xPT单晶在电场作用下晶格演变和畴翻转路径进行实时观测，分析其动力学过程，建立结构演变模型，定量分析结构演变的中间过程在晶体中产生应变的大小及撤去电场后的稳定性。将本项目的结构研究成果反馈到晶体处理方案的设计中，有助于更有效的利用外加电场对晶体的结构演变进行调控。本项目研究对于PMN-xPT压电性能的进一步优化，及对弛豫铁电单晶巨压电性来源的探索具有重要意义。

PMN-xPT等弛豫铁电单晶因为具有巨压电性而在国防与医疗等领域中均有重要应用。电场作用下弛豫铁电单晶的晶格演变和畴翻转路径是影响其性能的重要因素，然而，目前的结构研究提供的大多是相变前后的最终状态，对结构演变的实时观测及动力学分析较为缺乏。本项目结合压电力显微镜、高分辨偏光显微镜、以及先进的快速高分辨三维X射线衍射倒易空间成像技术，对不同组分/取向的PMN-xPT单晶在电场作用下晶格演变和畴翻转路径进行了实时观测，分析了其动力学过程，建立了结构演变模型，并定量分析了结构演变的中间过程在晶体中产生应变的大小及撤去电场后的稳定性。除此之外，在本项目工作的开展过程中，还发现了一个以往的研究中没有发现的压电性能峰并探索了其结构来源，取得了重要进展，扩展了本项目的研究内容。将本项目的结构研究成果反馈到晶体处理方案的设计中，有助于更有效的利用外加电场对晶体的结构演变进行调控。本项目研究对于PMN-xPT压电性能的进一步优化，及对弛豫铁电单晶巨压电性来源的探索具有重要意义。