应变诱导无铅铌酸钠薄膜中类同型相界的多态纳米畴结构及其增强功能特性

本研究针对传统含铅铁电材料的环境健康隐患及无铅替代材料性能调控难题，通过应变工程在简单化学组成的NaNbO3薄膜中构建了由单斜相(Cc/Mc)和三斜相(Tri-1)组成的类同型相界(MPB)纳米畴结构。结合第一性原理计算、外延生长技术和多尺度表征手段，揭示了该结构通过极化旋转和相变实现多态开关路径的机制，在1kHz下获得92%的介电可调性和54μC/cm2的剩余极化强度，为无铅微纳机电系统(MEMS/NEMS)提供了新思路。

　　

在追求环境友好型功能材料的浪潮中，铁电材料领域长期面临着一个关键矛盾：性能优异的铅基材料如锆钛酸铅(PZT)因其毒性面临应用限制，而无铅替代材料往往难以实现可媲美的电学性能。传统化学调控方法在(K,Na)NbO₃(KNN)体系遭遇瓶颈——碱金属的高挥发性使薄膜组分精确控制成为巨大挑战。这一困境促使科学家们将目光转向应变工程，试图通过晶格失配产生的机械应力来"雕刻"材料微观结构。

《Nature Communications》最新发表的研究开辟了新路径。研究团队选择NaNbO₃这一KNN家族的关键成员作为突破口，其丰富的结构多态性（常温下正交相Pbcm，电场可诱导转变为铁电Pmc2₁相）为应变调控提供了理想平台。通过密度泛函理论(DFT)计算预测，在特定应变范围内Cc、Cm和Pc等铁电多形体能量接近，暗示通过微小应变扰动即可诱导多相共存。

为验证这一设想，研究人员采用脉冲激光沉积(PLD)技术在SrTiO₃(001)衬底上制备了25-185nm厚度梯度的外延薄膜。通过原子力显微镜(AFM)观察到厚度≥80nm时出现迷宫状拓扑图案，压电力显微镜(PFM)揭示这些"墙壁"与"通道"分别对应垂直和水平极化分量占优的纳米畴结构。同步辐射X射线衍射(RSM)结合电子叠层成像技术解析出Cc(a-a-c-)和Pc/Cm(a+b+c-)单斜相的共存，以及连接二者的三斜相(Tri-1)。这种应变诱导的多相边界结构展现出独特的极化旋转路径，在电场作用下呈现三态开关特性：初始负极化Mc相→Mc/Mb混合相→正极化Mc相的连续转变。

关键技术方法包括：1) 基于DFT计算预测应变敏感的多形体相图；2) PLD精确控制薄膜厚度实现梯度应变调控；3) 扫描透射电子显微镜(STEM)结合电子叠层成像解析氧八面体倾斜模式；4) 同步辐射X射线三维倒易空间映射(3D-RSM)鉴定相结构；5) 正负上下(PUND)脉冲测量量化多态极化开关行为。

应变诱导多相边界的设计与表征

DFT计算显示在3.88-3.915?晶格常数范围内Cc、Cm和Pc相能量差<5meV/f.u.，80nm薄膜的RSM检测到c轴参数分别为3.891?(M_B)和3.944?(M_C)的双峰，对应PFM中14%-73%的M_B相比例变化。扫描衍射X射线显微镜(SDXM)直接观测到三斜相分布于单斜相边界区域，证实其"桥梁"作用。

多态极化开关行为

电容结构测试显示80nm薄膜在1kHz下获得40μC/cm²剩余极化，PUND测量揭示中间态极化强度随厚度从28.05增至54.10μC/cm²。原位PFM显示-6V预极化后，2V偏压诱导迷宫图案出现，6V时重新均质化，证实电场驱动的Mc→Mc/Mb→Mc相变路径。

增强的介电响应特性

80nm薄膜在20Hz-10kHz频率范围展现977的介电常数和0.021-0.067的低损耗，Rayleigh分析表明畴壁运动贡献最大。特别值得注意的是其反常介电可调性：在低于矫顽场的直流电场下出现82%的滞回-free可调率，高于矫顽场时达92%，微波频率(18GHz)仍保持54%可调性。这种"平台效应"源于混合相态对电场的缓冲响应。

该研究通过应变工程在简单化学组成的NaNbO₃中构建了媲美PZT-MPB的性能指标：1kHz下92%可调率超过传统(Ba,Sr)TiO₃体系，54μC/cm²极化强度达KNN基薄膜最高值。其意义在于：① 规避了碱金属挥发难题，为无铅薄膜性能调控提供新范式；② 揭示三斜相在连接不同单斜相中的关键作用；③ 多态开关特性为神经形态器件设计开辟可能。作者指出，NaNbO₃相较于BiFeO₃等材料具有更低的应变调控阈值，可与商业衬底更好兼容，未来或可通过优化电极结构进一步提升微波可调性。这项工作为在更广阔的无铅钙钛矿体系中设计应变诱导多相边界提供了重要借鉴。