自1983年以来，纳米级极性区域的概念（亦称为纳米畴）被广泛采用，用以描述弛豫铁电体的凝聚态结构并阐释其物理特性。这些纳米畴，源于弛豫铁电体内部永久偶极子的自发短程关联，对于实现高极化敏感性至关重要，并能有效促进极化旋转。这种极化旋转的简易性是弛豫铁电体展现超高机电响应、巨大的电卡效应，以及延迟极化饱和的电滞回线和卓越的介电储能特性的基础，从而引起了对弛豫铁电体内禀极化切换机制的广泛关注。
在过去几十年中，弛豫铁电体的内禀极化切换机制以及纳米畴与极化旋转之间的相关性已在包括自适应相位（Nat. Mater. 2008, 7, 562）、声子局域化（Nat. Commun. 2014, 5, 3683）、晶格软化（Sci. Adv. 2016, 2, 1501814）、准同型弛豫边界（Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 137601）等不同理论框架下得到了广泛探讨。然而，对弛豫铁电体极化翻转的理解主要局限于固有的原子/晶格结构与纳米畴之间的相互作用，而纳米畴在电场扰动下的排列和受激响应规则却很少有人关注（Science 2024, 384, 1447）。这是因为实验上原位地表征极化旋转过程中各个特征阶段纳米畴的实时演变状态，以及计算上在足够大的超胞内精确模拟偶极子翻转，都是极具挑战性和费时费力的任务。因此，直到今天，纳米畴在特征极化切换中的具体作用，以及这些弛豫铁电体的潜在结构如何决定其性质仍难以捉摸。使得弛豫铁电体被描述为“无望的混乱”。
近日，388vip太阳集团赵世峰教授课题组在《Advanced Materials》（材料学顶刊，影响因子：27.4）上发表了题为“Domain dynamics response to polarization switching in relaxor ferroelectrics”的研究论文。这项研究在纳米尺度上实现了对模型弛豫铁电体中极性纳米畴实时演变的原位追踪与可视化。首次在单一模型系统中，直接对比了低动态与高动态弛豫铁电体在极化翻转过程中纳米畴的实时演变。通过进一步将微观尺度上纳米畴协同演变的原位观察与宏观尺度的电滞回线测量，以及局部尺度上纳米畴的切换特性表征相整合，深入探测了微观纳米畴和宏观极化在电场扰动下的共同演化，为弛豫铁电体内禀极化切换机制的研究提供了跨尺度的理解。此外，该研究运用基于Landau-Ginzburg-Devonshire热力学模型的理论分析，为实验上观察到的纳米畴切换路径和动力学选择行为提供了深刻的见解，并从能量学的角度出发，探讨了宏观极化切换特性的演变。
这项工作在微观的畴动力学与宏观极化切换之间构筑起一座桥梁，不仅对精确和有针对性的操纵极化切换提供了宝贵的洞见，还为弛豫铁电体针对于不同实际应用的按需设计提供了的富有成效的指导。
图1 追踪极化切换过程中电畴的动态演变
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202411467
388vip太阳集团赵世峰教授、新加坡南洋理工大学高炜博教授和北京化工大学王聪副教授为共同通讯作者。论文以388vip太阳集团和内蒙古自治区纳米科学技术重点实验室为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、内蒙古自然科学基金重点项目和内蒙古自治区高校创新团队发展计划等经费的资助。
赵世峰，388vip太阳集团教授、博士生导师。内蒙古自治区草原英才、内蒙古新世纪321人才工程第一层次人选、内蒙古自治区自然科学二等奖完成人（1/3）、内蒙古高等学校创新团队带头人、内蒙古草原英才创新团队负责人。主持973课题、国家基金面上项目等国家级项目7项，主持内蒙古自然基金重点、杰青项目等省部级项目6项，至今已在Nat. Commun.; Adv. Mater., Acta Mater.; Appl. Phys. Lett.等国际权威期刊上发表论文140余篇。出版学术专著两部；授权发明专利及软件著作权共16项。主要研究方向：1. 团簇物理与原子制造；2. 多铁纳米材料与物理；3. 稀土功能氧化物材料与物理；4. 新型微纳米光电能源材料。
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