材料硬化对于多种材料的众多应用具有实际意义，因此受到广泛的关注。铁电硬化是压电陶瓷在高功率器件中潜在应用的绝对要求。最近的一项工作表明，通过在加工过程中引入沉淀物钉扎磁畴壁来实现铁电硬化是可行的，类似于金属中的沉淀硬化。随着Li掺杂NaNbO₃压电陶瓷中板状LiNbO₃的沉淀，实现了铁电硬化，表现出增强的机械品质因数（Q_m）。

来自西南交通大学和德国达姆施塔特工业大学的学者通过透射电子显微镜 (TEM) 表征了具有{110}PC面的 LiNbO₃ 片晶的具体形态和相应方向。本研究通过实验揭示的晶体结构和应变不相容性与最小能量纵横比的热力学模拟有很好的相关性。特别是，沉淀物-畴壁组件的拓扑结构得到澄清，揭示了合并的板状沉淀物对畴壁的完全固定。本研究所揭示的拓扑结构为未来用于高功率应用的新型无铅压电陶瓷中片晶硬化的优化策略提供了基础。相关文章以“Precipitate-domain wall topologies in hardened Li-doped NaNbO₃”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118998

图1. 沉淀物形状的示意图。

图 2. (a) 未时效和时效 LNN18 的 XRD 图案。(b) BF TEM 图像描绘了时效样品中形成的 LiNbO₃ 沉淀物（观察方向 = [100]NN）。(c) BF STEM 图像，以及 (d、e、f) 时效样品中形成的 LiNbO₃ 沉淀物的 O、Na 和 Nb 的 EDS 图。

图 3. (a) BF TEM 图像描绘了 LiNbO₃ 变体I 和变体 II。(b、d、f) 从 LiNbO₃沉淀物和相邻的 NaNbO₃ 基质获得的SAED 图案，正如 (a) 中圈出的那样。（c，e）分别用（b）和（d）中标记的（210）_LN 获取的 DF TEM 图像。

图 4. NaNbO₃和 LiNbO₃ 沿 [100]_NN// [241]_LN 投影的原子结构以及显示各自衍射图案的示意图。(a, b) NaNbO₃ 基质和 LiNbO₃ 变体 I。(c, d) NaNbO₃ 基质和 LiNbO₃ 变体 II。

图 5. (a) 环形暗场 (b) 亮场 STEM 图像，显示沿[100]_NN // [241]_LN 方向观察的 (002)_NN-(210)_LN基质沉淀界面。

图 6. (a) 斜方晶胞（黄色实线）及其与 NaNbO₃ 基质的伪立方晶胞（蓝色实线）的关系的示意图，以及(b) 展示了位于三组 {110}PC平面：(i)(011)PC和(011)PC，(ii)(110)PC和(110)PC，以及(iii)(101)PC和(101)PC。(c, d, e)分别沿[100]PC、[011]PC和[111]PC方向观察的LiNbO₃片晶的BF TEM图像。(c)-(e) 中插入的 NaNbO₃ 矩阵的 SAED 图案由蓝色实线框出，验证了各自的观察方向。

图 7. 示意图描绘了嵌入准立方 NaNbO₃ 基质中的 LiNbO₃ 沉淀物。(a) 3 维示意图和 (b) 沿[100]_PC // [241]_LN 的 2 维示意图投影。

图 8. LiNbO₃沉淀物的总能量与其纵横比的函数关系。

图 9. (a) 详细描述了 PC 坐标系中描述的 NaNbO₃ 中允许的畴壁的示意图，相应的偏振方向用红色箭头标记。(b, c, d) BF TEM 图像描绘了沉淀物畴壁拓扑，其中 (b) 为 45° 钉扎角，(c, d) 为90° 钉扎角。

图 10. 室温下，以 8 kV/mm、频率 1 Hz 测量的P-E 环路结果。

通过适当的时效方案，可以实现在 NaNbO₃ 的 {110}PC 上沉积板状 LiNbO₃ 沉淀物的掺入，并通过 TEM 进行揭示。应变不相容性的实验评估显示相干基体-沉淀物界面误差为 0.84%，半相干界面误差为 6.93%。平衡形状的模拟证实了这一发现，低能纵横比约为 15，与实验结果一致。随着 LiNbO₃ 片晶的沉淀，实现了铁电硬化，并表现出增强的机械品质因数 (Q_m)。人们认为它起源于沉淀物域壁拓扑结构，它揭示了通过合并的板状沉淀物在域壁上的完全钉扎。这一发现从沉淀物畴壁拓扑的角度提供了对铁电硬化的基本见解。通过引入高功率压电陶瓷沉淀物，预计将加速铁电硬化的设计策略。（文：SSC）