弛豫铁电体PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3中涌现的拓扑极化涡旋结构及其介电性能调控机制

本研究通过多模态结构精修框架，首次在经典弛豫铁电体系PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3(PMN-PT)中揭示了自组织极化涡旋纹理（半斯格明子meron），阐明了化学无序通过退极化场和应变场稳定极化场拓扑结构的机制，为设计新型介电/铁电功能材料提供了新思路。

　　

在功能材料领域，弛豫铁电体因其独特的频率依赖性介电响应和优异的机电性能，长期被视为传感器、执行器和能量存储设备的核心材料。然而，驱动这种宽带介电响应的极性异质结构本质仍存在激烈争议。以经典体系PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃(PMN-PT)为例，研究者们对其极化结构的描述莫衷一是——从孤立的极性纳米区(PNR)嵌于非极性基体，到被畴壁分隔的极性纳米域，再到具有极化梯度变化的低角度边界结构。这种认知鸿沟源于弛豫铁电体多层次的结构复杂性：化学无序与动态/静态极性位移交织，且随温度演化呈现不同时空尺度特征。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的Maksim Eremenko团队联合国际研究组，开发了统一的多模态结构精修框架，通过同步拟合X射线/中子全散射、X射线吸收谱和漫散射数据，成功重构了PMN-PT的三维介观极化图谱。研究采用40×40×40钙钛矿晶胞(约16 nm)的超大原子构型，结合反向蒙特卡罗(RMC)方法，首次捕捉到自组织涡旋极化纹理及其与化学异质性的关联规律。

关键技术包括：1）同步收集中子/X射线全散射数据（POLARIS衍射仪和Diamond光源I15-1线站）；2）扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)测定Pb L₃、Nb K和Ti K边；3）单晶X射线漫散射三维重构（ESRF ID28线站）；4）基于Q判据和HDBSCAN算法的矢量场拓扑分析；5）新型MOSAIC软件实现漫散射振幅的傅里叶滤波。

局部有序与成分涨落

研究发现PMN中Mg/Nb呈现岩盐型短程有序（局部有序参数η与Mg含量正相关），且有序度增强区域伴随Mg富集。

显示Pb配位层中B位阳离子有序度分布，Mg富集区（绿色）显著破坏极性关联。氧八面体变形分析揭示[MgO₆]膨胀而[NbO₆]收缩，变形幅度与局部有序参数正相关。

关联极性位移：关联长度vs PNR尺寸

通过傅里叶滤波提取的关联位移分量揭示：PMN中Pb位移主要沿〈111〉和〈100〉方向，而PMN-PT中转向〈100〉主导。关键发现是极化关联呈现多层级特征——由共享相同位移分量符号的椭球状关联体积（主轴远长于次轴）交叠形成三维迷宫状PNR网络。

显示滤波后Pb位移场（b）与局部极化场（c）均呈现强烈涡旋特征，Q判据量化显示涡旋核心位于电荷边界（Nb⁵⁺富集区与Mg²⁺富集区界面）。

极化涡旋纹理的拓扑特性

研究首次在体相弛豫铁电体中观测到半斯格明子(meron)管状结构（图4），其轴线沿〈011〉方向并具有净极化分量。统计表明涡旋核心与化学序衍生的电荷/应变梯度强相关（图5），距离分布函数证实涡旋中心距电荷边界显著近于随机分布（p<0.01）。这种拓扑纹理通过平滑改变极化方向（而非尖锐畴壁）连接PNR，形成连续交织的极化迷宫。

结论指出：化学无序通过电荷梯度和应变场（挠曲电耦合）稳定极化场拓扑结构，这种机制可能普遍存在于具有纳米尺度化学异质性的体系。该发现不仅解决了弛豫铁电体结构模型的长期争议，更通过建立"成分-拓扑-性能"关联，为设计具有定制介电/铁电响应的新材料提供了理论依据。研究提出的"关联体积交叠"模型超越了传统PNR范式，将弛豫体研究推向拓扑物理与材料科学的交叉前沿。