第一作者：李欣巖, Zhuohui Liu, Ang Gao

通訊作者：張慶華, 葛琛, 谷林

通訊單位：中國科學(xué)院物理研究所，清華大學(xué)等

論文速覽：

本研究通過原位可視化技術(shù)，揭示了ZrO2納米晶體中鐵電-鐵彈性耦合作用下，正交相到類單斜相變的可逆性。

研究發(fā)現(xiàn)，90°的鐵電-鐵彈性開關(guān)可以保護(hù)從正交相到壓縮應(yīng)變的類單斜相（M’）的可逆剪切變形路徑。然而，隨著M’狀態(tài)逐漸累積局部應(yīng)變，臨界的拉伸應(yīng)變可以使鐵彈性域固定，導(dǎo)致不可逆的M’-M應(yīng)變松弛和鐵電性的喪失。

這些發(fā)現(xiàn)展示了鐵彈性開關(guān)在相變可逆性中的關(guān)鍵作用，并為穩(wěn)定氟氧化物薄膜中亞穩(wěn)態(tài)鐵電相提供了拉伸應(yīng)變閾值。

圖文導(dǎo)讀：

圖1：展示了ZrO2納米晶體中90°鐵電-鐵彈性開關(guān)和O-M’馬氏體相變的可逆性。圖像顯示了從0到1.5分鐘的時間內(nèi)，O相ZrO2納米晶體的結(jié)構(gòu)演變。

圖2：描述了剪切變形區(qū)域中的應(yīng)變分布情況。圖示了兩種剪切變形結(jié)構(gòu)的類型，以及它們在O-M’馬氏體相變中的應(yīng)變分布差異。

圖3：展示了從7.5到9分鐘的90°鐵電-鐵彈性開關(guān)過程中，不可逆的M’-M馬氏體相變。圖像揭示了在開關(guān)過程中，局部拉伸應(yīng)變的累積和鐵彈性域的固定。

圖4：對比了可逆的O-M’和不可逆的M’-M馬氏體相變中的應(yīng)變情況。圖像顯示了在不同時間點下，O和M’相以及O和M相的共存狀態(tài)和應(yīng)變分布。

圖5：根據(jù)第一性原理計算，探討了應(yīng)變對O-M馬氏體相變和鐵彈性開關(guān)的影響。圖中展示了M和極性O(shè)相在單軸應(yīng)變下的總能量變化，以及M相滑移在O相中的能量障礙。

亮點介紹：

1. 原子尺度的原位可視化：通過高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）技術(shù)，直接觀察到了ZrO2納米晶體中的O-M’馬氏體相變過程。

2. 鐵電-鐵彈性耦合機(jī)制：研究發(fā)現(xiàn)90°鐵電-鐵彈性開關(guān)對于保護(hù)O相到M’相的可逆剪切變形路徑至關(guān)重要。

3. 應(yīng)變閾值的確定：*研究提供了穩(wěn)定氟氧化物薄膜中亞穩(wěn)態(tài)鐵電相的拉伸應(yīng)變閾值，為材料設(shè)計提供了重要參考。

4. 不可逆相變的機(jī)制揭示：*揭示了局部拉伸應(yīng)變?nèi)绾螌?dǎo)致鐵彈性域固定和鐵電性的喪失，為理解和控制鐵電材料的穩(wěn)定性提供了新的視角。

5. 理論和實驗的結(jié)合：通過第一性原理計算與實驗結(jié)果的結(jié)合，深入理解了氟氧化物中極性-非極性相變的動力學(xué)過程。

高端表征：

1. 原位透射電鏡技術(shù)：作者使用了高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡進(jìn)行原位結(jié)構(gòu)演變的捕捉。這種技術(shù)能夠在原子尺度上直接觀察到ZrO2納米晶體中鐵電-鐵彈性耦合下的相變過程。

通過原位TEM實驗，作者能夠?qū)崟r監(jiān)測ZrO2納米晶體在電子束輻照下的相變過程，包括從正交相到類單斜相的轉(zhuǎn)變以及鐵電-鐵彈性開關(guān)的動態(tài)過程。

2. 電子能量損失譜：在進(jìn)行HAADF-STEM成像的同時，作者還收集了EELS數(shù)據(jù)，以獲取樣品的化學(xué)和電子結(jié)構(gòu)信息。

EELS數(shù)據(jù)的收集采用了雙EELS模式，能夠同時獲得零損失光譜和核心損失光譜，為分析樣品的局部化學(xué)環(huán)境和元素分布提供了重要信息。

計算模擬：

在本論文中，作者采用了第一性原理計算來深入理解ZrO2納米晶體中相變過程的熱力學(xué)和動力學(xué)特性。

作者使用了基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的VASP軟件進(jìn)行計算模擬。通過 PBE泛函和廣義梯度近似（GGA）的形式來處理交換相關(guān)能。

計算了極性O(shè)相和非極性M相在c軸單軸應(yīng)變下的總能量，并分析了兩相之間的能量差異。利用NEB)方法計算了M相滑移在O相中的能量障礙，以及O/M’相界面的能量。

通過計算模擬，作者揭示了O相和M’相之間的熱力學(xué)相似性，以及90°鐵彈性開關(guān)為可逆O–M’相變提供的動力學(xué)途徑。

文獻(xiàn)信息：

標(biāo)題：Ferroelastically protected reversible orthorhombic to monoclinic-like phase transition in ZrO2 nanocrystals

期刊：Nature Material