无铅Na0.5Bi0.5TiO3陶瓷的极化稳定性：晶粒尺寸与温度效应的微观机制解析

针对无铅铁电材料Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）高温极化稳定性难题，研究人员通过压电力显微镜（PFM）系统研究了不同晶粒尺寸陶瓷的极化行为，发现氧空位浓度而非晶粒尺寸是影响极化稳定性的关键因素，为高性能无铅压电器件设计提供了新思路。

　　

在环保需求日益迫切的今天，无铅铁电材料的研究成为材料科学领域的热点。Na_0.5Bi_0.5TiO₃（NBT）作为最具潜力的无铅铁电体之一，其高温极化稳定性却长期困扰着研究者。传统观点认为晶粒尺寸是决定NBT去极化温度（T_d）的关键因素，但这一假设缺乏直接实验证据。更棘手的是，NBT在升温过程中表现出的复杂相变行为和弛豫特性，使得宏观测量手段难以揭示微观极化机制。这些问题严重制约了NBT在高温压电器件中的应用。

为破解这一难题，来自国内的研究团队在《Journal of Materiomics》发表了创新性研究。他们采用压电力显微镜（PFM）这一纳米级表征技术，结合介电谱和阻抗分析，系统研究了不同烧结温度（1100°C和1220°C）制备的NBT陶瓷。通过宏观极化、局部PFM极化和开关谱（SS-PFM）测量，首次在纳米尺度揭示了氧空位对极化稳定性的主导作用，颠覆了传统认知。

关键技术方法包括：1）固态反应法制备不同晶粒尺寸的NBT陶瓷；2）压电力显微镜（PFM）纳米级域结构表征；3）变温开关谱（SS-PFM）分析局部极化行为；4）介电谱测定去极化温度T_d；5）高温阻抗谱评估氧空位浓度差异。

2. 实验结果与讨论
介电行为与微观结构
介电谱显示NBT-1100和NBT-1220的T_d分别为98°C和128°C，但阻抗分析表明前者具有更高的氧空位浓度。SEM和AFM证实两种陶瓷具有显著不同的晶粒尺寸分布（NBT-1100平均1.5μm，NBT-1220约5μm），且细晶样品孔隙率更高。

宏观极化稳定性
PFM成像显示宏观极化后，NBT-1220呈现均匀的垂直PFM（VPFM）响应，而NBT-1100信号较弱但更稳定。升温实验表明，两种样品的去极化过程均表现为整体信号衰减而非域分裂，且残余极化与晶粒尺寸无直接关联。

局部极化行为
通过PFM光刻技术创建的局部极化区域在NBT-1100中表现出异常的高温稳定性（>200°C），而NBT-1220在140°C即完全去极化。这种差异归因于氧空位在极化区域界面的聚集，形成稳定电场的"钉扎效应"。

开关谱分析
SS-PFM测量揭示：NBT-1100的滞后回线在高温下呈现显著不对称性，负偏压诱导的向上极化区域稳定性优于向下极化。这种"记忆效应"源于氧空位在界面处的选择性积累，而NBT-1220由于氧空位浓度较低，回线对称性更好。

3. 结论与意义
该研究通过纳米尺度实验证实：1）NBT的极化稳定性主要受氧空位浓度调控，而非传统认为的晶粒尺寸效应；2）局部极化区域可通过氧空位界面聚集实现高温稳定；3）细晶NBT-1100的单域特性与高氧空位浓度协同增强极化保持力。这些发现不仅解决了NBT材料领域长期争议的科学问题，更为设计高温稳定的无铅压电器件提供了明确指导——通过精确调控氧空位浓度而非单纯追求晶粒细化，可实现更优的性能优化。研究展示的"缺陷工程"策略可推广至其他弛豫铁电体系，对发展环境友好型功能材料具有重要启示意义。