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原位透射助力研究納米材料高溫下持續(xù)撓曲電效應(yīng)
具有反轉(zhuǎn)極化特性的材料廣泛應(yīng)用于存儲器件，傳感器，致動器和換能器中。電介質(zhì)的極化可以由不同的誘導(dǎo)因素誘導(dǎo)產(chǎn)生，例如通過壓電機械應(yīng)變誘導(dǎo)。與僅存在于非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)中的壓電效應(yīng)不同，撓曲電效應(yīng)存在于所有的晶體介電材料中。為了拓展介電材料的應(yīng)用范圍，現(xiàn)在關(guān)于撓曲電效應(yīng)的研究原來越多。
從材料的角度來講，與壓電材料相比較，撓曲電材料有應(yīng)用溫度區(qū)間廣、更加有利于環(huán)境變化等優(yōu)勢。因此撓曲電材料在傳感、驅(qū)動方面呈現(xiàn)出的優(yōu)良特性，使其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。而且在新型應(yīng)變梯度傳感器、新型壓電復(fù)合材料、新型加速度傳感器等方面的應(yīng)用前景非常廣闊。撓曲電效應(yīng)早是在液晶領(lǐng)域進行研究，現(xiàn)在其研究已經(jīng)廣泛分布于鐵電材料、半導(dǎo)體材料以及生物材料等領(lǐng)域。
來自德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Leopold Molina-Luna研究團隊近期發(fā)表于Nature Communications雜志上的文章“Enabling nanoscale flexoelectricity at extreme temperature by tuning cation diffusion”中報道了一種意外現(xiàn)象，即在溫度下出現(xiàn)類似疇結(jié)構(gòu)的納米區(qū)域（DLNR），該現(xiàn)象就是由于撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生的。為了通過實驗觀察DLNR的形成，作者通過將透射電子顯微鏡（TEM）與DENSsolutions的熱電耦合原位樣品桿做結(jié)合來進行實驗。Leopold等人首先將75mol％鈦酸鉍鈉-25mol％鈦酸鍶（NBT-25ST）乙醇懸浮液滴在氮化硅芯片上，在TEM中，設(shè)置升溫程序，通過芯片加熱固態(tài)燒結(jié)得到核-殼結(jié)構(gòu)納米粉體，并通過TEM實時進行結(jié)構(gòu)表征，觀察核-殼結(jié)構(gòu)的整個形成過程。同時，通過芯片上的電極在800°C下施加了高達(dá)±22 kV / mm的電場，測試樣品的撓曲電效應(yīng)并通過高分辨率成像觀察整個反應(yīng)的動力學(xué)過程。全部實驗過程均在同一塊原位芯片上完成。之前關(guān)于塊狀NBT-25ST的大量研究表明，納米疇結(jié)構(gòu)在350℃左右已經(jīng)消失，此次實驗研究中發(fā)現(xiàn)的疇結(jié)構(gòu)在超高溫度800℃下仍穩(wěn)定存在。這一發(fā)現(xiàn)開辟了一門新興的科學(xué)，必將推動其他高溫?fù)锨娦?yīng)納米材料的研究和開發(fā)。
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