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：中國科學院物理研究所，清華大學等

論文速覽：

本研究通過原位可視化技術，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-鐵彈性開關可以保護從正交相到壓縮應變的類單斜相（M’）的可逆剪切變形路徑。然而，隨著M’狀態(tài)逐漸累積局部應變，臨界的拉伸應變可以使鐵彈性域固定，導致不可逆的M’-M應變松弛和鐵電性的喪失。

這些發(fā)現(xiàn)展示了鐵彈性開關在相變可逆性中的關鍵作用，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變閾值。

圖文導讀：

圖1：展示了ZrO2納米晶體中90°鐵電-鐵彈性開關和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-鐵彈性開關過程中，不可逆的M’-M馬氏體相變。圖像揭示了在開關過程中，局部拉伸應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)和應變分布。

圖5：根據(jù)第一性原理計算，探討了應變對O-M馬氏體相變和鐵彈性開關的影響。圖中展示了M和極性O相在單軸應變下的總能量變化，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，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-鐵彈性耦合機制：研究發(fā)現(xiàn)90°鐵電-鐵彈性開關對于保護O相到M’相的可逆剪切變形路徑至關重要。

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

4. 不可逆相變的機制揭示：*揭示了局部拉伸應變?nèi)绾螌е妈F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過程。

高端表征：

1. 原位透射電鏡技術：作者使用了高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡進行原位結(jié)構(gòu)演變的捕捉。這種技術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-鐵彈性開關的動態(tài)過程。

2. 電子能量損失譜：在進行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和動力學特性。

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

計算了極性O相和非極性M相在c軸單軸應變下的總能量，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’相之間的熱力學相似性，以及90°鐵彈性開關為可逆O–M’相變提供的動力學途徑。

文獻信息：

標題：Ferroelastically protected reversible orthorhombic to monoclinic-like phase transition in ZrO2 nanocrystals

期刊：Nature Material