铁电材料因其自发极化和在外部场作用下的畴变能力而备受关注，这些特性使得它们在非易失性存储器、能量存储、压电效应、热电效应和光伏效应等方面展现出突出的性能。特别是压电效应，它涉及到机械能与电能的转换，被广泛应用于超声换能器、执行器和能量收集器等。尽管含铅的铁电陶瓷因其压电性能而长期占据市场地位，但铅的毒性对人类健康和环境构成重大风险。因此，寻找无铅的压电材料替代品成为了一个重要的研究方向，其中基于BaTiO3、(Bi,Na)TiO3和(K,Na)NbO3的材料因其与常规PZT陶瓷相媲美的压电性能而受到重视。

针对以上的问题，由中科院物理研究所、中国科学院大学、哈尔滨工业大学以及松山湖材料实验室组成的研究团队，利用泽攸科技TEM原位进行了深入研究。他们对(K,Na)NbO3（KNN）单晶在加热过程中铁电畴的演变进行了研究，这项研究揭示了KNN单晶中观察到的应变热稳定性和高热电系数与铁电畴的热稳定性有关，并且发现了在相变过程中增强热电效应的机制。相关成果以“In situ observation of ferroelectric domain evolution of (K,Na)NbO3 single crystals during heating”发表在《Acta Materialia》上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120316

论文的主要研究内容集中在钾钠铌酸盐(K,Na)NbO3（KNN）单晶的铁电畴在不同温度下的演变行为，以及这些演变对材料的热稳定性和热电性能的影响。研究团队通过原位透射电子显微镜（TEM）技术，对KNN单晶在加热过程中的铁电畴变化进行了详细的观察和分析。

图 透射电子显微镜明场（TEM BF）图像及相应的选区电子衍射（SAED）模式

研究首先关注了KNN单晶在20°C至120°C温度范围内铁电畴的热稳定性。实验结果显示，在这一温度区间内，铁电畴结构保持稳定，没有发生明显的变化，表明了材料的应变热稳定性。进一步地，研究者们在180°C至240°C的温度区间内，观察到了四方相（T相）在正交相（O相）中的形核和扩展，这一过程伴随着新的铁电畴的生成和扩展，导致材料宏观极化强度的降低，从而增强了热电效应。

图 四方相迷宫状对比度的演变

特别地在接近居里温度（Tc）时，研究揭示了一个中间状态，即立方相（C相）和四方相（T相）之间的迷宫状畴结构。这种迷宫状畴被认为是C-T相变过程中的中间状态，其出现和消失与铁电畴的行为一致，并且与材料的热电系数增强有关。

图 240°C下两种类型四方相畴壁的分析

整体而言，这项研究不仅阐明了KNN单晶中铁电畴演变对材料热稳定性和热电性能的影响机制，而且为理解铁电材料的热响应提供了新的视角，这对于开发新型高性能无铅压电材料具有重要的科学意义和应用价值。

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