Nat. Commun.：介孔在单晶铁电体中引起零热膨胀

【引言】

热胀冷缩是自然界物体的一种基本热学性质。然而也有少数材料并不遵循这一基本物理规则，存在着反常的热膨胀性质，即其体积随着温度的升高反常缩小（或不变）。其中，有一类材料的体积在一定温区内保持不变，称为零膨胀材料，在很多重要的科学工程领域具有重要的应用价值。几十年来，零热膨胀材料一直是许多研究的焦点，因为它们具有耐用的物理特性和在高精度仪器中的潜在应用。然而，微观结构控制通过界面或表面的零热膨胀行为尚未实现。

【成果简介】

近日，来自浙江大学韩高荣（通讯作者）和田鹤（共同通讯作者）的团队在 Nat. Commun.发表了题为Mesopores induced zero thermal expansion in single-crystal ferroelectrics的文章，该团队报告了在具有大面积和封闭的中孔的单晶铁电PbTiO₃纤维中令人印象深刻的零热膨胀的观察结果。零热膨胀行为归因于由于基于氧的偏振屏蔽和来自内在铁电性的负热膨胀引起的中孔附近的正热膨胀的协同效应。研究结果表明，负热膨胀铁电材料中的一个迷人的表面结构可能是实现零热膨胀的有前途的策略。

【图文导读】

图1: 介孔PTO纤维的形态和微观结构表征

a: 介孔PTO纤维的SEM图；

b-c: 单根纤维中的SEM图和横截面SEM图；

d: 中孔的介孔PTO纤维的示意图；

e-f: 介孔PTO纤维沿径向的横截面TEM图。

图2: 介孔PTO纤维和无孔PTO纳米片的热膨胀性能和拉曼表征

a: 原位XRD结果计算的细胞体积的温度演变；

b: 中孔PTO纤维和无孔PTO纳米板的拉曼光谱；

c: 温度演变的细胞体积对应于来自原位SAED结果的插图中由红圈标记的微区；插图显示了所考虑的中孔PTO纤维的总体TEM图。

图3: 在单个介孔附近的高分辨率HAADF-STEM和EELS表征

a: 一个典型的介孔PTO纤维介孔的高分辨率HAADF-STEM图；

b: 放大a中对应区域2的图；

c: 分别在区域1-3中测量的O K边缘的EELS谱。

图4: 介孔氧基极化屏蔽机制的示意图

a: 未筛网中孔PTO纤维；

b: 筛选的中孔PTO纤维。

【小结】

该团队通过引入大规模介孔，在单相PTO纤维中实现了在相对高和宽的温度范围内的通讯。孔隙以均匀的铁电极化分布，两个极性表面暴露出来，这可能通过在负极性表面上出现氧空位和在正极性表面上氧积聚而被屏蔽。PTO纤维的ZTE性能归因于NTE从内部铁电性与PTE的协同效应，这是由于中孔附近的极化筛选造成的。这些发现表明基于PTO的铁电体中构建迷人的铁电体表面来制造单相ZTE材料是一项非常吸引人的战略。

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

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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