澤攸科技ZEM系列掃描電鏡 | 多晶PZT陶瓷鐵電疇-極化耦合機制的探究

鉛鋯鈦酸鹽（PZT）作為壓電陶瓷領域的基石材料，憑借其獨特的電聲轉換性能在工業與學術界占據重要地位。在菱面體相PZT的研究中，研究者們發現了一種類似于反鐵電體的“束腰型"電滯回線現象。早期的觀點將其歸因于氧八面體旋轉對長程極化有序的破壞，而隨后的研究則傾向于認為有序缺陷產生的釘扎效應才是該現象的根源。通過淬火處理使缺陷處于無序狀態，可以有效消除這種束腰特性，這為調控極化行為提供了重要途徑。然而極化行為在本質上與鐵電領域的疇運動密切相關，疇及其壁面結構構成了這些物理特性的最終微觀表現。

當前的重大挑戰在于如何深入理解淬火過程對疇壁動力學的具體調節機制。盡管研究已證實疇壁在介電和壓電響應中起著關鍵的中介作用，但在多晶體系中，區分本征離子位移與非本征疇相關貢獻仍具有復雜性。特別是對于不同摻雜類型的PZT陶瓷，淬火引起的疇結構從微米級到納米級的演化規律及其對疇壁密度的影響尚缺乏系統的微觀表征。如何精準控制疇尺寸并建立可靠的結構與性能關聯模型，以實現壓電性能的定量優化，依然是該領域有待突破的核心課題。 

針對上述問題，由武漢理工大學等組成的研究團隊利用澤攸科技的ZEM系列臺式掃描電鏡進行了系統研究，該團隊通過采用受控淬火工藝實現了PZT陶瓷疇結構從微米級向納米級的轉變，并結合壓響應力顯微鏡（PFM）與原位拉曼光譜深入揭示了疇壁密度增加與內部應力演化對釋放“束腰型"電滯回線及大幅提升壓電性能的微觀耦合機制。

針對PZT陶瓷中普遍存在的疇極化耦合機制，研究團隊系統開展了受控淬火實驗以調節三種典型成分的疇行為。通過將純PZT、錳摻雜及鈮摻雜的75/25PZT陶瓷加熱至居里溫度以上并快速水淬，實驗成功打破了傳統慢冷過程中的能量平衡路徑。這種熱處理方式旨在通過限制疇的自發極化傳輸，誘導材料內部產生顯著的結構演化，從而為解決菱面體相PZT陶瓷中的束腰型電滯回線問題提供物理依據。

圖 展示了三種成分陶瓷的 SEM 圖像及晶粒尺寸分布，分別為：75/25PZT、Mn-75/25PZT 和 Nb-75/25PZT 。其中，圖 (a1)、(b1)、(c1) 顯示的是燒結態樣品，而圖 (a2)、(b2)、(c2) 則對應展示了淬火處理后的樣品

材料的斷口形貌與晶粒分布特征對于理解性能演變具有至關重要的作用。在對燒結態與淬火態樣品的顯微結構表征中，研究人員利用澤攸科技的ZEM系列臺式掃描電子顯微鏡對樣品的斷裂表面進行了高分辨率成像觀察。臺式掃描電鏡的觀測結果精準證實了淬火過程并未顯著改變陶瓷的平均晶粒尺寸，其數值在淬火前后僅呈現出微小的統計學波動。這一高信度的微觀形貌數據排除了晶粒尺寸變化對電學性能提升的貢獻，確保了后續關于疇壁動力學研究的準確性。

圖 展示了三種成分陶瓷在淬火前后的PFM相位圖像 。圖 (a1) 和 (a2) 描繪了純 75/25PZT 的疇構型，而圖 (b1)、(b2) 和 (c1)、(c2) 則分別展示了錳（Mn）摻雜和鈮（Nb）摻雜 75/25PZT 的對應圖譜 。為了便于對疇結構演化進行詳細對比，圖 (d1) 和 (d2) 提供了這三種成分在淬火過程前后的疇特征增強可視化圖像

疇結構的尺度轉變是淬火誘導性能增強的核心微觀機制。PFM的直接成像揭示了75/25PZT和錳摻雜PZT陶瓷在淬火后，其疇結構從微米級的規則條帶狀顯著細化為納米級的隨機分布狀態。根據疇壁能量密度的物理模型，疇尺寸的減小直接導致了疇壁密度的增加，從而顯著降低了單位面積的疇壁能。這種由微米疇向納米疇的演化有效增強了疇壁的運動活性，為材料介電響應潛力的釋放奠定了微觀結構基礎。

圖 (a1), (b1), (c1), (a3), (b3), (c3) 展示了這些樣品在溫度變化過程中原位拉曼光譜演變的 3D 可視化圖像 。圖 (a2), (b2), (c2), (a4), (b4), (c4) 則對應展示了這些樣品在溫度變化過程中的原位拉曼光譜等高線圖

微觀結構的重組最終體現在宏觀電學性能的質變上。實驗數據明確顯示，純PZT與錳摻雜PZT陶瓷在淬火后成功消除了束腰型電滯回線，其壓電電荷常數分別獲得了36%和37%的顯著提升。基于瑞利定律的擬合分析進一步量化了介電貢獻的來源，證實了可逆與不可逆介電響應的增強均源于淬火引入的高遷移率疇壁。這些發現不僅闡明了鐵電疇與極化耦合的微觀動力學過程，也為通過納米工程手段優化多晶陶瓷的壓電性能提供了標準化的理論框架。

圖 1kHz 頻率下，偏置電場在?2kV/mm 至 + 2kV/mm 范圍內循環變化時，介電常數與損耗角正切值（tanδ）的變化曲線。本實驗選取三種成分的樣品開展測試：（a1）、（a2）為 75/25 鋯鈦酸鉛（75/25PZT）樣品；（b1）、（b2）為摻錳 75/25 鋯鈦酸鉛（Mn-75/25PZT）樣品；（c1）、（c2）為摻鈮 75/25 鋯鈦酸鉛（Nb-75/25PZT）樣品。針對每種成分的樣品，同步給出了燒結態樣品（黑色曲線）與淬火態樣品（紅色曲線）的對比數據

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，能夠更廣泛地應用于新材料研發、生命科學、失效分析、工業質檢等多個領域，為廣大科研院所和企業用戶提供了一套兼具高性能與高性價比的強大微觀表征解決方案。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡