Nat. Commun.：介孔在單晶鐵電體中引起零熱膨脹

【引言】

熱脹冷縮是自然界物體的一種基本熱學性質。然而也有少數材料并不遵循這一基本物理規則，存在著反常的熱膨脹性質，即其體積隨著溫度的升高反常縮小（或不變）。其中，有一類材料的體積在一定溫區內保持不變，稱為零膨脹材料，在很多重要的科學工程領域具有重要的應用價值。幾十年來，零熱膨脹材料一直是許多研究的焦點，因為它們具有耐用的物理特性和在高精度儀器中的潛在應用。然而，微觀結構控制通過界面或表面的零熱膨脹行為尚未實現。

【成果簡介】

近日，來自浙江大學韓高榮（通訊作者）和田鶴（共同通訊作者）的團隊在 Nat. Commun.發表了題為Mesopores induced zero thermal expansion in single-crystal ferroelectrics的文章，該團隊報告了在具有大面積和封閉的中孔的單晶鐵電PbTiO₃纖維中令人印象深刻的零熱膨脹的觀察結果。零熱膨脹行為歸因于由于基于氧的偏振屏蔽和來自內在鐵電性的負熱膨脹引起的中孔附近的正熱膨脹的協同效應。研究結果表明，負熱膨脹鐵電材料中的一個迷人的表面結構可能是實現零熱膨脹的有前途的策略。

【圖文導讀】

圖1: 介孔PTO纖維的形態和微觀結構表征

a: 介孔PTO纖維的SEM圖；

b-c: 單根纖維中的SEM圖和橫截面SEM圖；

d: 中孔的介孔PTO纖維的示意圖；

e-f: 介孔PTO纖維沿徑向的橫截面TEM圖。

圖2: 介孔PTO纖維和無孔PTO納米片的熱膨脹性能和拉曼表征

a: 原位XRD結果計算的細胞體積的溫度演變；

b: 中孔PTO纖維和無孔PTO納米板的拉曼光譜；

c: 溫度演變的細胞體積對應于來自原位SAED結果的插圖中由紅圈標記的微區；插圖顯示了所考慮的中孔PTO纖維的總體TEM圖。

圖3: 在單個介孔附近的高分辨率HAADF-STEM和EELS表征

a: 一個典型的介孔PTO纖維介孔的高分辨率HAADF-STEM圖；

b: 放大a中對應區域2的圖；

c: 分別在區域1-3中測量的O K邊緣的EELS譜。

圖4: 介孔氧基極化屏蔽機制的示意圖

a: 未篩網中孔PTO纖維；

b: 篩選的中孔PTO纖維。

【小結】

該團隊通過引入大規模介孔，在單相PTO纖維中實現了在相對高和寬的溫度范圍內的通訊。孔隙以均勻的鐵電極化分布，兩個極性表面暴露出來，這可能通過在負極性表面上出現氧空位和在正極性表面上氧積聚而被屏蔽。PTO纖維的ZTE性能歸因于NTE從內部鐵電性與PTE的協同效應，這是由于中孔附近的極化篩選造成的。這些發現表明基于PTO的鐵電體中構建迷人的鐵電體表面來制造單相ZTE材料是一項非常吸引人的戰略。

文獻鏈接：Mesopores induced zero thermal expansion in single-crystal ferroelectrics（Nat. Commun.2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04113-y）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu ,我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！