近日，由西安交大国产直播 张乐研究员、杨森教授、前沿院王栋教授为核心组成的TFML-MMSH跨学科研究小组的最新研究成果被国际权威期刊Advanced Science报道并收录。

铁电准同型相界处的多相共存层级纳米畴结构有利于降低极化的翻转能垒，可用于提升极化耦合的电致应变，但是因其一级相变特性，其电致应变滞后较大。相比较之下，弛豫铁电体虽然由于其特有的极性纳米微畴结构的强弛豫特性可以表现出低滞回的极化和应变响应，但是传统的弛豫铁电体掺杂策略在获得纳米畴结构的同时也阻碍了畴壁运动，极易导致极化强度和应变幅值大幅降低，限制了其在新型脉冲能量发生器、机电执行器和超声换能器等电子器件领域的应用，其核心物理瓶颈在于掺杂过程产生的随机空位和缺陷会对畴壁运动产生钉扎效应，导致大多数的弛豫铁电体的纳米畴处于被冻结状态（即非各态遍历）。如果可以优化弛豫铁电体纳米畴的极化动力学特性并将其与铁电准同型相界概念结合，有望进一步优化纳米铁电畴态的极化及应变特性，同时扩展其在新型能源转换及存储领域的应用范围。

本研究通过实验设计和相场模拟分析发现：构筑应变增强的四方（T）和正交（O）玻璃态纳米畴结构可同时实现优异的极化/应变响应和低损耗。图1的HAADF-STEM结果表明：(Ba_0.84Ca_0.16)_0.985Bi_0.01(Ti_0.9Zr_0.07Sn_0.03)_97/100Hf_3/100O₃（3Hf）组分中构建的立方（C）-T-O玻璃态共存结构可在T和O相纳米畴之间形成了5-10nm的条带状区域，其B位离子局域c/a比显著增大，同时该区域具有低的自发极化强度。这一反常现象归因于局域应变场的构筑（Hf⁴⁺→Zr⁴⁺取代）对极性低弛豫玻璃态共存结构的调控作用。图2相场模型进一步证实：通过引入该局域应变场可以产生更多的O相纳米区并实现可逆畴翻转，从而使得介电常数显著提高25%，介电损耗降低38.8%。此外，如图2（e）所示，在冻结温度（T_f）附近的热稳定窗口内，不仅可维持高极性动力学，还可以抑制退极化过程，为实现宽温域的高极化强度、高应变幅值和低极化滞后提供了条件。利用这一特性，本研究在维持超低损耗（<5%）的基础上，将材料的实验极化强度提高了20.8%，应变幅值提高了34.2%。同时，在23 K的温度区间内获得优异的介电性能（ε_r/tanδ~9.9×10⁵）。

图1（a）沿[001]电子束入射方向的(Ba_0.84Ca_0.16)_0.985Bi_0.01(Ti_0.9Zr_0.07Sn_0.03)_97/100Hf_3/100O₃体系的原子分辨HAADF-STEM极化矢量图。（b）极化角度分布映射图。（c）极化强度分布映射图。（d）B位离子空间占比映射图。（e-g）应变增强玻璃态共存极性区的放大展示图。

图2（a-b）引入局域应变场和不引入局域应变场条件下的归一化介电常数ε_r和介电损耗tanδ温度依赖曲线。（c-d）无局域应变场和有局域应变场时，小电场诱导微观纳米畴结构的演化。（e）有局域应变场时，多相共存纳米畴的零场冷和大场冷却条件下的极化响应的温度依赖曲线及相应的畴结构演化过程。

上述研究成果近期以《Boosts in Polarization and Piezoelectric Responses of Lead-Free Ferroelectrics through Strain-Enhanced Glassy Coexistent Polars with High Dynamics》为题，发表于国际权威期刊《Advanced Science》。国产直播 、前沿院为第一通讯单位，何利强助理教授为论文第一作者，张乐特聘研究员为论文共同一作和通讯作者。共同通讯作者还包括陈子斌教授（香港理工大学）和王栋教授（前沿院）。

以上工作的到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后基金、国产直播 青年拔尖人才计划等项目资助。论文的计算同时得到了西安超算中心提供的算力支持。

张乐，国产直播 特聘研究员、校青年拔尖人才、博导，智能材料与传感团队TFML-MMSH实验室主任；长期专注于智能材料高性能化实验设计及计算模拟方法。

论文链接：//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202502973