γ射线诱导缺陷偶极子迁移驱动KNN基陶瓷快速老化机制研究

针对极端环境下压电陶瓷性能演化机制不明的科学问题，中国科学院团队通过研究γ射线辐照对铌酸钾钠(KNN)基陶瓷的影响，发现辐照后材料保持稳定压电系数(d33 )、机械品质因数(Qm )快速提升及老化现象，揭示了缺陷偶极子([CuNb ″′ -VO ·· ]′ )向畴壁迁移的钉扎效应机制，为恶劣环境用压电器件设计提供理论支撑。

　　

在航空航天、核能等极端环境应用中，压电陶瓷的性能稳定性直接决定器件的可靠性。铌酸钾钠(K,Na)NbO₃
(KNN)基无铅压电陶瓷因其环境友好特性备受关注，但γ射线等电离辐射对其性能的影响机制仍是未解之谜。传统观点认为辐照会导致材料性能退化，然而近期发表在《Scripta Materialia》的研究颠覆了这一认知——中国科学院团队发现γ射线竟能通过调控缺陷偶极子行为，实现材料性能的定向优化。

研究团队采用稳态强磁场设施电子自旋共振系统(ESR)等先进表征手段，系统分析了KNN陶瓷在γ辐照前后的微观结构演变与电学性能关联。通过对比未辐照样品，发现辐照后材料呈现出三大反常现象：压电常数d₃₃
保持稳定、机械品质因数Q_m
显著提升、以及快速老化效应。这些现象无法用传统的畴结构变化或缺陷偶极子数量增减理论解释。

关键发现体现在三个层面：

1. 畴壁硬化机制
   通过高分辨X射线衍射与压电力显微镜(PFM)分析，证实辐照未改变畴结构类型与比例，但畴壁运动能垒显著提高。这种"硬化"效应源于缺陷偶极子的定向迁移。

2. 缺陷偶极子迁移路径
   第一性原理计算显示，铜空位复合体([Cu_Nb
   ^″′
   -V_O
   ^··
   ]^′
   )在辐照场中处于更低能量态。ESR谱学证据表明，这些本征缺陷会向畴壁区域富集，形成强烈的钉扎中心。

3. 性能演化动力学
   原位介电谱监测发现，Q_m
   提升与老化速率呈正相关，证实缺陷偶极子迁移是性能演化的主导因素。该过程在辐照初期即完成，解释了性能参数的快速稳定现象。

这项研究首次建立了γ辐照-缺陷偶极子迁移-压电性能的定量关联模型，突破了对辐照损伤的传统认知。其理论价值在于阐明：在特定能量范围内，电离辐射可成为调控材料性能的有效手段。实际应用中，该发现为设计抗辐照压电器件提供了新思路——通过预辐照处理引入可控缺陷分布，可主动提升器件在核电站、太空探测器等场景下的长期稳定性。

研究团队特别致谢国家自然科学基金(12374089, U23A20567)和四川省科技计划项目的支持。论文通讯作者Ting Zheng和Jiagang Wu强调，这项工作开辟了"辐照工程"这一材料改性新途径，未来可通过能谱调控实现压电性能的精准定制。这些发现不仅适用于KNN基陶瓷，对其它铁电/压电材料体系的辐照效应研究也具有普适指导意义。