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铁电材料在致动器、换能器和多层陶瓷电容器等领域具有广泛应用，其性能调控对功能实现至关重要。目前，通过增强铁电体的外在贡献是提升性能的重要途径，常见的调控策略包括应变工程、相界工程、点缺陷掺杂等。然而，点缺陷掺杂虽然常用，但其热稳定性和场稳定性不足，限制了实际应用。相比之下位错具有更高的热稳定性，在稳定铁电相、促进畴成核和钉扎畴壁等方面发挥关键作用。位错还能通过局部应变场改变原子极化状态，从而影响材料的宏观性能。例如已有研究表明，通过机械压印引入定向位错网络可使钛酸钡单晶的机电响应提升19倍，位错诱导的局部应变场还能略微提高材料的居里温度。此外位错还被证明能显著增强钛酸钡单晶的压电催化性能，为陶瓷体材料的功能调控提供了新思路。

尽管位错在铁电材料中的功能作用已得到初步验证，但其对周围原子极化和畴结构演化的具体机制仍不明确。现有研究多集中于理论模拟和薄膜体系，而具有更广泛应用前景的块体材料研究相对匮乏。这主要源于功能陶瓷中离子键/共价键的刚性特征导致位错引入困难，且传统方法存在位错密度低或引入复杂缺陷等局限性。虽然单轴压缩法能可控引入特定位错结构，但位错与畴结构的相互作用机制仍待深入探索。特别是位错如何影响原子级极化、作为畴成核位点的具体条件，以及位错线与畴壁重叠时的钉扎效应等问题，尚未通过实验直接观测验证。

针对上述问题，由中南大学等组成的研究团队利用泽攸科技原位TEM展开了深入研究，他们直接观测了位错对 BaTiO₃ 单晶中原子极化、畴结构演化及畴壁动力学的动态影响，提供了位错作为 “畴成核位点” 和 “畴壁钉扎锚点” 的直接实验证据，并揭示了位错分布非均匀性对材料功能的调控机制。相关成果以“Observation of the Impact of Dislocations on Atomic Polarization and Domain Structures in BaTiO₃”为题发表在《Advanced Physics Research》期刊上。

研究团队采用高温单轴压缩技术在BaTiO₃单晶中可控引入高密度{100}<100>位错网络，并通过多尺度表征技术揭示了位错与畴结构的相互作用。球差校正透射电镜直接观测到位错的空间分布特征，包括滑移带聚集的直线位错与位错环。固体核磁共振（SS-NMR）通过¹³⁷Ba信号角度依赖性定量分析了不同极化方向的畴结构比例，而同步辐射X射线衍射显微镜（SXDM）则在体材料中直接证实了90° a-a畴与位错共存的独特结构。

图 a) 样品的明场像。b) 沿[001]C晶带轴的选区电子衍射花样。c) A区域的局部放大图。d) 样品中畴结构的示意图

高分辨率TEM结合原子位移矢量分析显示，位错核心显著扰动周围原子的极化状态。在位错与畴壁交汇处，位错引起的局域应变导致邻近原子层面内极化分量异常增强或减弱。特别值得注意的是，位错线本身表现出类畴壁行为，其两侧原子呈现正交面内极化，形成非典型的90°畴翻转路径。

图 a) TEM明场像及对应的高分辨局部图像。b,c) 选定区域的原子极化分析

通过原位电场TEM实验，研究实时捕捉到位错在畴动力学中的双重功能：作为成核位点和畴壁钉扎点。实验显示，施加电场时新畴优先从位错线处形核并向外扩展，同时位错线可阻碍畴壁运动或与畴壁重叠，导致畴结构演变呈现高度非均匀性。

图 原位电场实验。a) 钨探针位置示意图。b-d) 图a中红色标记区域在不同电压下的明场像（黄色方框突出显示变化显著区域）。同一位置在不同电压下的高分辨透射电镜图像及原子极化分析。e) 0 V。f) 30 V。g) -30 V。h) 钛原子位移幅度的对应极图

研究强调位错空间分布的不均匀性是调控材料功能的关键。NMR与SXDM证实位错诱导的局域应变/电荷梯度驱动了多类型畴的共存，而位错密度差异导致不同区域对电场的响应迥异。这种非均匀性解释了机械压印后BaTiO₃机电性能显著提升的微观起源。

图 电压加载过程中的局部区域变化。a) 0 V。b) -5 V。c) -10 V。d) -15 V。e) -20 V。f) -25 V。g) -30 V

该工作通过原子尺度极化成像与畴结构原位追踪，确证位错通过应变场与电荷效应扰动周围原子极化，并作为畴成核中心与畴壁锚点主导畴演化动力学。这些发现为"位错工程"优化铁电体性能提供了直接实验依据，并指出了未来需要结合更高分辨率技术深入解析位错-畴壁相互作用的原子构型与电荷分布的研究方向。

图 原位电场实验。a) 实验前状态。b,c) 不同外加电压下的畴结构演变

泽攸科技作为中国本土的精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：

FEI双倾探针杆