X射线散斑谱法和双光子关联谱法在纳米极化区域微观动力学研究中的应用

弛豫铁电体优异的压电、电致伸缩等特性被认为来源于材料内存在的大量纳米极化区域(PNRs)。本项目利用上海光源高亮度和高相干性等优点，在对现有装置进行改进后，采用 X射线散斑技术和双光子相干谱技术开展对PNRs空间和时间构造的研究。首次采用软X射线散斑法在X射线小角散射线站和软X射线谱学显微线站开展(1-x) Pb(Mg1/3-Nb2/3)O3-x PbTiO3 (0<x<1)弛豫铁电体和Na0.5Bi0.5TiO3无铅铁电体中PNRs的空间构造及温度、电场响应特性的研究,结合利用双光子关联谱法对PNRs弛豫时间的研究，探讨PNRs的空间构造和动力学特征如何影响高性能弛豫铁电体和无铅铁电体的高压电活性的本质。本项目对于如何改进弛豫铁电体材料的性能提供了数据和科学依据，对探索铁电体在超高速、超节能的纳米器件方面的应用具有重要意义。本项目还可促进X射线散斑法和双光子关联谱法的方法学和应用研究。

铁电体具有优异的介电、压电性能，在超声设备，换能器，人工智能等有广阔的应用前景。大量研究表明，其优异的介电、压电性能来源于纳米尺度极化区域的反转和振动。长期以来，对纳米极化团簇的研究多采用中子散射、拉曼散射、透射电镜等间接实验方法，缺乏直接的实验观测手段。本研究首次采用X射线散斑法和双光子关联谱等直接实验方法研究了纳米极化团簇在相变点附近的空间、时间构造等微观动力学特性，并结合材料介电性能，首次实验研究证实了纳米极化团簇的微观动力学特性对材料的介电性能的核心作用。主要研究内容包括： .1. 完成双光子关联谱实验装置的搭建，用于测量铁电体和弛豫铁电体中纳米极化微区(PNRs)的弛豫时间，研究PNRs在相变点附近的微观动力学过程及其与宏观介电性能的关系。主要包括样品高精密温控装置、He-Ne激光器、偏振片、实验光路、实验暗室的改进，进一步提高数据测量的可靠性和稳定性。.2. 利用双光子关联谱法开展BaTiO3铁电体中纳米极化区域在相变点TC附近的微观动力学过程研究，首次观测到了在TC温度以上的双弛豫特性及其在相变过程中的作用；.3. 利用同步辐射X射线散斑法首次观测到了0.72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3弛豫铁电体在Tm温度附近纳米极化区域的空间构造随温度的变化特性。.4. 利用双光子关联谱法开展0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3弛豫铁电体中纳米极化微区在Tm温度附近的微观动力学过程，首次观测到了极化微区的微观动力学特性与介电性能的关系。.5. 开展相干衍射成像理论和实验研究。. 通过本项目的支持，开创了用X射线散斑和双光子关联谱等直接实验方法观测铁电体中纳米极化团簇的空间结构和弛豫时间特性，揭示了纳米极化微区的微观动力学特性对介电特性的贡献。该实验方法可进一步用于系统研究弛豫铁电体、无铅铁电体中纳米极化区域对材料优异特性的贡献。