第一作者：李欣巖, Zhuohui Liu, Ang Gao

通訊作者：張慶華, 葛琛, 谷林

通訊單位：中國科學院物理研究所，清華大學等

論文速覽：

本研究通過原位可視化技術，揭示了ZrO2納米晶體中鐵電-鐵彈性耦合作用下，正交相到類單斜相變的可逆性。

研究發現，90°的鐵電-鐵彈性開關可以保護從正交相到壓縮應變的類單斜相（M’）的可逆剪切變形路徑。然而，隨著M’狀態逐漸累積局部應變，臨界的拉伸應變可以使鐵彈性域固定，導致不可逆的M’-M應變松弛和鐵電性的喪失。

這些發現展示了鐵彈性開關在相變可逆性中的關鍵作用，并為穩定氟氧化物薄膜中亞穩態鐵電相提供了拉伸應變閾值。

圖文導讀：

圖1：展示了ZrO2納米晶體中90°鐵電-鐵彈性開關和O-M’馬氏體相變的可逆性。圖像顯示了從0到1.5分鐘的時間內，O相ZrO2納米晶體的結構演變。

圖2：描述了剪切變形區域中的應變分布情況。圖示了兩種剪切變形結構的類型，以及它們在O-M’馬氏體相變中的應變分布差異。

圖3：展示了從7.5到9分鐘的90°鐵電-鐵彈性開關過程中，不可逆的M’-M馬氏體相變。圖像揭示了在開關過程中，局部拉伸應變的累積和鐵彈性域的固定。

圖4：對比了可逆的O-M’和不可逆的M’-M馬氏體相變中的應變情況。圖像顯示了在不同時間點下，O和M’相以及O和M相的共存狀態和應變分布。

圖5：根據第一性原理計算，探討了應變對O-M馬氏體相變和鐵彈性開關的影響。圖中展示了M和極性O相在單軸應變下的總能量變化，以及M相滑移在O相中的能量障礙。

亮點介紹：

1. 原子尺度的原位可視化：通過高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）技術，直接觀察到了ZrO2納米晶體中的O-M’馬氏體相變過程。

2. 鐵電-鐵彈性耦合機制：研究發現90°鐵電-鐵彈性開關對于保護O相到M’相的可逆剪切變形路徑至關重要。

3. 應變閾值的確定：*研究提供了穩定氟氧化物薄膜中亞穩態鐵電相的拉伸應變閾值，為材料設計提供了重要參考。

4. 不可逆相變的機制揭示：*揭示了局部拉伸應變如何導致鐵彈性域固定和鐵電性的喪失，為理解和控制鐵電材料的穩定性提供了新的視角。

5. 理論和實驗的結合：通過第一性原理計算與實驗結果的結合，深入理解了氟氧化物中極性-非極性相變的動力學過程。

高端表征：

1. 原位透射電鏡技術：作者使用了高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡進行原位結構演變的捕捉。這種技術能夠在原子尺度上直接觀察到ZrO2納米晶體中鐵電-鐵彈性耦合下的相變過程。

通過原位TEM實驗，作者能夠實時監測ZrO2納米晶體在電子束輻照下的相變過程，包括從正交相到類單斜相的轉變以及鐵電-鐵彈性開關的動態過程。

2. 電子能量損失譜：在進行HAADF-STEM成像的同時，作者還收集了EELS數據，以獲取樣品的化學和電子結構信息。

EELS數據的收集采用了雙EELS模式，能夠同時獲得零損失光譜和核心損失光譜，為分析樣品的局部化學環境和元素分布提供了重要信息。

計算模擬：

在本論文中，作者采用了第一性原理計算來深入理解ZrO2納米晶體中相變過程的熱力學和動力學特性。

作者使用了基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的VASP軟件進行計算模擬。通過 PBE泛函和廣義梯度近似（GGA）的形式來處理交換相關能。

計算了極性O相和非極性M相在c軸單軸應變下的總能量，并分析了兩相之間的能量差異。利用NEB)方法計算了M相滑移在O相中的能量障礙，以及O/M’相界面的能量。

通過計算模擬，作者揭示了O相和M’相之間的熱力學相似性，以及90°鐵彈性開關為可逆O–M’相變提供的動力學途徑。

文獻信息：

標題：Ferroelastically protected reversible orthorhombic to monoclinic-like phase transition in ZrO2 nanocrystals

期刊：Nature Material