泽攸科技ZEM系列扫描电镜 | 多晶PZT陶瓷铁电畴-极化耦合机制的探究

铅锆钛酸盐（PZT）作为压电陶瓷领域的基石材料，凭借其独特的电声转换性能在工业与学术界占据重要地位。在菱面体相PZT的研究中，研究者们发现了一种类似于反铁电体的“束腰型"电滞回线现象。早期的观点将其归因于氧八面体旋转对长程极化有序的破坏，而随后的研究则倾向于认为有序缺陷产生的钉扎效应才是该现象的根源。通过淬火处理使缺陷处于无序状态，可以有效消除这种束腰特性，这为调控极化行为提供了重要途径。然而极化行为在本质上与铁电领域的畴运动密切相关，畴及其壁面结构构成了这些物理特性的最终微观表现。

当前的重大挑战在于如何深入理解淬火过程对畴壁动力学的具体调节机制。尽管研究已证实畴壁在介电和压电响应中起着关键的中介作用，但在多晶体系中，区分本征离子位移与非本征畴相关贡献仍具有复杂性。特别是对于不同掺杂类型的PZT陶瓷，淬火引起的畴结构从微米级到纳米级的演化规律及其对畴壁密度的影响尚缺乏系统的微观表征。如何精准控制畴尺寸并建立可靠的结构与性能关联模型，以实现压电性能的定量优化，依然是该领域有待突破的核心课题。 

针对上述问题，由武汉理工大学等组成的研究团队利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电镜进行了系统研究，该团队通过采用受控淬火工艺实现了PZT陶瓷畴结构从微米级向纳米级的转变，并结合压响应力显微镜（PFM）与原位拉曼光谱深入揭示了畴壁密度增加与内部应力演化对释放“束腰型"电滞回线及大幅提升压电性能的微观耦合机制。

针对PZT陶瓷中普遍存在的畴极化耦合机制，研究团队系统开展了受控淬火实验以调节三种典型成分的畴行为。通过将纯PZT、锰掺杂及铌掺杂的75/25PZT陶瓷加热至居里温度以上并快速水淬，实验成功打破了传统慢冷过程中的能量平衡路径。这种热处理方式旨在通过限制畴的自发极化传输，诱导材料内部产生显著的结构演化，从而为解决菱面体相PZT陶瓷中的束腰型电滞回线问题提供物理依据。

图 展示了三种成分陶瓷的 SEM 图像及晶粒尺寸分布，分别为：75/25PZT、Mn-75/25PZT 和 Nb-75/25PZT 。其中，图 (a1)、(b1)、(c1) 显示的是烧结态样品，而图 (a2)、(b2)、(c2) 则对应展示了淬火处理后的样品

材料的断口形貌与晶粒分布特征对于理解性能演变具有至关重要的作用。在对烧结态与淬火态样品的显微结构表征中，研究人员利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电子显微镜对样品的断裂表面进行了高分辨率成像观察。台式扫描电镜的观测结果精准证实了淬火过程并未显著改变陶瓷的平均晶粒尺寸，其数值在淬火前后仅呈现出微小的统计学波动。这一高信度的微观形貌数据排除了晶粒尺寸变化对电学性能提升的贡献，确保了后续关于畴壁动力学研究的准确性。

图 展示了三种成分陶瓷在淬火前后的PFM相位图像 。图 (a1) 和 (a2) 描绘了纯 75/25PZT 的畴构型，而图 (b1)、(b2) 和 (c1)、(c2) 则分别展示了锰（Mn）掺杂和铌（Nb）掺杂 75/25PZT 的对应图谱 。为了便于对畴结构演化进行详细对比，图 (d1) 和 (d2) 提供了这三种成分在淬火过程前后的畴特征增强可视化图像

畴结构的尺度转变是淬火诱导性能增强的核心微观机制。PFM的直接成像揭示了75/25PZT和锰掺杂PZT陶瓷在淬火后，其畴结构从微米级的规则条带状显著细化为纳米级的随机分布状态。根据畴壁能量密度的物理模型，畴尺寸的减小直接导致了畴壁密度的增加，从而显著降低了单位面积的畴壁能。这种由微米畴向纳米畴的演化有效增强了畴壁的运动活性，为材料介电响应潜力的释放奠定了微观结构基础。

图 (a1), (b1), (c1), (a3), (b3), (c3) 展示了这些样品在温度变化过程中原位拉曼光谱演变的 3D 可视化图像 。图 (a2), (b2), (c2), (a4), (b4), (c4) 则对应展示了这些样品在温度变化过程中的原位拉曼光谱等高线图

微观结构的重组最终体现在宏观电学性能的质变上。实验数据明确显示，纯PZT与锰掺杂PZT陶瓷在淬火后成功消除了束腰型电滞回线，其压电电荷常数分别获得了36%和37%的显著提升。基于瑞利定律的拟合分析进一步量化了介电贡献的来源，证实了可逆与不可逆介电响应的增强均源于淬火引入的高迁移率畴壁。这些发现不仅阐明了铁电畴与极化耦合的微观动力学过程，也为通过纳米工程手段优化多晶陶瓷的压电性能提供了标准化的理论框架。

图 1kHz 频率下，偏置电场在−2kV/mm 至 + 2kV/mm 范围内循环变化时，介电常数与损耗角正切值（tanδ）的变化曲线。本实验选取三种成分的样品开展测试：（a1）、（a2）为 75/25 锆钛酸铅（75/25PZT）样品；（b1）、（b2）为掺锰 75/25 锆钛酸铅（Mn-75/25PZT）样品；（c1）、（c2）为掺铌 75/25 锆钛酸铅（Nb-75/25PZT）样品。针对每种成分的样品，同步给出了烧结态样品（黑色曲线）与淬火态样品（红色曲线）的对比数据

泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜