弛豫铁电体由于在很宽的温度范围内具有高介电常数、小滞后大电致伸缩应变、超高压电系数等优异性能已然成为电容器和传感器等电子器件中不可或缺的材料，因此近几年来成为铁电领域的研究热点。弛豫铁电体通常是通过在正常铁电体中掺杂点缺陷得到的，但是点缺陷掺杂得到弛豫铁电体及其特殊性能的具体物理机制还不是很清楚。

近日，西安交通大学物理学院教育部物质非平衡合成与调控重点实验室杨森教授、柯小琴副教授及合作者考虑到点缺陷掺杂会引起材料纳米尺度的成分不均匀，纳米尺度的成分不均匀性可同时引起局部电场的不均匀性以及局部相变温度的变化，因此通过同时考虑点缺陷带来的局部电场效应和局部相变温度效应建立了弛豫铁电体的相场模型。该相场模型不仅再现了弛豫铁电体纳米极化畴、小滞后电滞回线及电致伸缩等性能，还成功预测了实验上发现的弛豫铁电体的三个特征温度（Burn’s温度T_B、中间温度T*和冻结温度T_f）。通过分别关掉局部电场效应或局部相变温度效应发现，特征温度 T_B的出现是来自于点缺陷引起的局部场效应而特征温度T*的出现则来自于点缺陷引起的局部相变温度效应。这项工作细致地揭示了点缺陷所产生的局部场效应和局部相变温度效应在弛豫铁电体形成中的作用，并对弛豫铁电体的微观畴结构演化提供了深入的物理图像。这一理论模型对于几乎所有弛豫铁电体是普适的，不同弛豫铁电体的不同点在于局部场效应及局部相变温度效应的强弱。该工作以“Role of Point Defects in the Formation of Relaxor Ferroelectrics”为题发表于国际著名期刊Acta Materialia (IF=8.203)。该论文第一作者为西安交通大学物理学院在读博士生洪政凯，柯小琴副教授为该论文的第一通讯作者，杨森教授为该论文的共同通讯作者，西安交通大学前沿院任晓兵教授、王栋教授及美国俄亥俄州立大学王云志教授也是该论文的共同作者。该项研究得到了国家自然科学基金(51802249、11672222、51801145、91963111)和陕西省重点科技创新团队(2020TD-001)等经费支持。

图2 综合考虑局部场效应和局部相变温度效应时可再现弛豫铁电体的三个特征温度（T_B、T*和T_f）。(a)特征温度T_B的确定，通过P_m,local与温度的关系曲线, 确定当局部极化大于某一临界值时的温度为T_B。(b)特征温度T* 和T_f的定义：T*可通过ZFC曲线和FC曲线开始分离的温度,这意味着局部铁电相变的发生，T_f可通过ZFC曲线的峰值对应的温度确定。(c) 特征温度T_f的另一个定义方法：通过不同频率下的介电温谱来进行Vogel-Fulcher拟合确定T_f。通过ZFC曲线及Vogel-Fulcher拟合得到的T_f基本一致。

图3 相场模拟得到的相图及实验相图的比较。(a)掺杂铁电体系的计算相图。(b) PT-xPMN体系的实验相图。可以看出模拟得到的三个特征温度的变化趋势与实验报道中的基本是一致的。

图4只考虑局部相变温度效应或者只考虑局部电场效应时弛豫铁电体特征温度的预测。(a1)-(a3) 只考虑局部相变温度效应时只出现了T*,T_f,没有出现T_B。(b1)-(b3) 只考虑局部电场效应时只出现了T_B和T_f，没有出现T*。(a4)-(b4) 局部相变温度效应及局部场效应引起T*及T_B的原因。

图5弛豫铁电体在降温过程中微观畴结构的演化过程。当T>T_B时，体系是顺电相。当T=T_B时，体系中开始出现扭曲的顺电相即极性纳米区域(PNRs).当T_B>T>T*时,体系中的PNR逐渐变多。当T=T*时，体系开始出现局部纳米铁电畴即极性纳米畴(PNDs)，随着温度降低，体系中的PND变得越来越多。当T=T_f时，体系中的大部分位置全部变为PND。图5(i)则是降温过程中，顺电相、PNR和PND的体积分数变化图。