据中国激光杂志社网，于2023年09月21日报道，哈尔滨师范大学APL: 受主掺杂弛豫铁电体的异常弥散相变。
01 研究背景
弛豫铁电单晶是目前发现的机电性能最为优异的压电材料，也是用于制备高性能超声医学探头的主体材料。此外，弛豫铁电单晶的巨压电性溯源也一直是物理和材料领域中亟待解决的重大科学问题。弛豫铁电体与普通铁电体最明显的区别是其具有明显的弥散相变过程（DPT），即介电（弥散）弛豫特性。研究弛豫铁电体的介电弛豫特性以及其与微观畴结构、宏观机电特性的关系是揭示巨压电性起源问题的重要切入点。低价态“受主”掺杂改性是优化铁电材料大功率机电特性的一种有效方法，但掺杂改性必然会改变结构有序性，并对弛豫特性产生影响。因此，研究“受主”掺杂对铁电体介电弛豫特性的影响就变得非常重要。相关研究不仅可以补充和完善铁电体介电弛豫现象的物理模型，还可以为新型无铅压电材料的研发提供借鉴参考。
02 论文摘要
本文作者通过对比Mn掺杂前后Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PIN-PMN-PT）单晶的DPT变化，发现了一个有趣的物理现象。实验现象表明，Mn掺杂可以提升弛豫铁电体的介电弥散并降低畴尺寸，但却抑制了介电弛豫行为。通常情况下，随着结构无序性的提升，弛豫铁电体的介电弥散和弛豫特性会同时增强，这意味着“受主”掺杂对介电弛豫的影响与目前的现象认知相矛盾。在本研究中，作者通过相关实验证据结合畴壁的“breathing”模型，揭示了“受主”掺杂弛豫铁电体异常DPT过程的物理起源。研究结果显示，Mn掺杂通过提升随机电场强度抑制了极性纳米区（PNRs）的生长，从而增强了介电弥散特性，并降低了畴尺寸。同时，Mn掺杂还导致了弛豫时间函数的重新分布，从而降低了介电弛豫响应。本研究不仅深化了对弛豫铁电体DPT过程的物理理解，还有助于开发和设计新型高性能压电材料。本研究成果以“The unexpected diffuse phase transition in relaxor-PbTiO3 ferroelectrics via acceptor modification”为题，发表在Applied Physics Letters期刊上。哈尔滨师范大学的戚旭东博士为该论文的第一作者，哈尔滨工业大学的孙恩伟副教授和张锐教授为本论文的通讯作者。
03 主要研究内容
图1. （a）Mn掺杂PIN-PMN-PT单晶的ESR谱，（b）Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的电滞回线对比。
图2.（a）Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的介电温谱，（b）未掺杂和Mn掺杂PIN-PMN-PT单晶的Lorentz-type关系拟合。
图3. Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的室温拉曼光谱对比，（b）Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶不同温度下的拉曼光谱对比。
图4. （a-d）Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的PFM图像对比，（e, f）Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的畴结构自相关关系拟合。
图5. Mn掺杂前后PIN-PMN-PT单晶的介电弛豫特性对比，（a）未掺杂PIN-PMN-PT单晶的局部放大介电温谱，（b）Mn掺杂PIN-PMN-PT单晶的局部放大介电温谱。
04 团队介绍
戚旭东，物理学博士，2019年毕业于哈尔滨工业大学。研究方向为铁电材料的结构-性能关系与器件化等相关工作，涉及压电陶瓷的制备与性能优化、铁电体的介电弛豫、铁电光伏、高性能超声换能器的设计与制作等相关方向。以第一/通讯作者在Appl. Phys. Lett.，J. Eur. Ceram. Soc.，J. Mater. Sci. Technol.，Acs. Appl. Mater. Inter.等期刊发表论文20余篇，合作发表Adv. Funct. Mater.等期刊论文20余篇。
近两年（2022-2023）发表文章：
1. Xudong Qi, et al., The unexpected diffuse phase transition in relaxor-PbTiO3 ferroelectrics via acceptor modification. Appl. Phys. Lett. 123, 112902 (2023).
2. Gang Tian, Xudong Qi*, et al, Simultaneous enhancement of piezoelectricity and mechanical quality factor in relaxor-ferroelectric crystals via defect engineering. Appl. Phys. Lett. 122, 102901 (2023).
3. Yang Liu, Xudong Qi*, et al, Dynamic hysteresis relation for guiding poling condition of high-performance KNN-based ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 43 (2023) 4044–4050.
4. Kai Li, Xudong Qi*, et al. Multi-type nanoscale domain switching dynamics in tetragonal PIN-PMN-PT single crystal under electrical bias. Ceram. Int. 49 (2023) 109–116.
5. Jinpeng Ma, Xudong Qi*, et al. Improving performances of array ultrasonic transducer by alternating current poling method. Sens. Actuators A. Phys. 349 (2023) 114066.
6. Xudong Qi, et al. Large photovoltaic effect with ultrahigh open-circuit voltage in relaxor-based ferroelectric Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 ceramics. J. Mater. Sci. Technol. 104 (2022) 119–126.
7. Lang Bian, Xudong Qi*, et al. Enhancing the Temperature Stability of 0.42PNN-0.21PZ-0.37PTCeramics through Texture Engineering. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 3076−3083.
8. Ke Zhu, Xudong Qi*, et al. Increasing Performances of 1–3 Piezocomposite Ultrasonic Transducer by Alternating Current Poling Method. Micromachines 2022, 13, 1715.
9. Yue Ming, Yanqi Cai, Xudong Qi*, et al. Orientation dependence of polarization-modulated photovoltaic effect of relaxor-based Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 single crystals. J. Alloy. Compd. 902 (2022) 163777.
10. Jinpeng Ma, Xudong Qi*, et al, Enhanced electromechanical properties in Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 based 1–3 piezoelectric composites using the alternating current poling method, Mater. Sci. Eng. B-Adv 284 (2022) 115890.
其他近两年一作/通讯文章：Ceram. Int. 48 (2022) 11764–11771, Chem. Phys. Lett. 809 (2022) 140146, J. Adv. Dielect. 12, 2241002 (2022), Mater. Lett. 317 (2022) 132127, Sens. Actuators A. Phys 345 (2022) 113812等.
05 文章信息
https://doi.org/10.1063/5.0162596
