致真精密仪器多功能原子力显微镜在科学研究中的应用

近日，东北大学、石家庄铁道大学、辽宁师范大学组成的研究团队在钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO3，BST）基弛豫铁电陶瓷储能性能优化研究中取得重要进展，该研究以“Grain stress induces the formation of nano-domains in Ba0.7Sr0.3TiO3-based ceramics to enhance the energy storage performance”为题发表在《Journal of Energy Storage》。致真精密仪器自主研发的AtomEdge Pro多功能原子力显微镜，为该研究提供了关键的微观结构表征支持，为储能性能增强机制提供依据。

随着科技的飞速发展，高性能弛豫铁电陶瓷电容器在工业电子与消费电子领域均已成为不可或缺的器件。传统铅基储能陶瓷（如 PbZrTiO₃）虽在性能上取得显著进展，但铅作为有毒重金属，会造成严重的环境与健康风险，因此开发环保型无铅弛豫铁电陶瓷成为研究热点。钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO3，简称 BST）因具备优异的铁电性、低介电损耗及高介电常数，被选为研究的基体材料，不过其相对较低的击穿强度，成为实现高储能性能的关键挑战。

本研究的核心策略是以BST为基体，引入具有层状钙钛矿结构的Bi3.25M0.75Ti3O12（M为La, Nd, Sm, Dy等稀土元素）作为弛豫剂。其根本目的在于，通过这种异质结构掺杂，在BST晶格中引入连续且弥散的晶格应变。理论预期，这种应变会破坏材料内部的长程铁电有序，将其“打碎”成无数个微小的、动态的极性纳米区域（PNRs）。这些PNRs在外加电场下可以快速翻转，从而在获得高极化的同时，极大地降低能量损耗，并有效抑制电畴的剧烈转向，最终实现击穿场强与储能效率的协同提升。

微观结构的表征有力地证实了这一设想。通过高分辨透射电镜的几何相位分析，可以清晰地看到在BST-BiLT（La掺杂）样品的晶格中存在着均匀分布的应力场，这与未掺杂的纯BST形成了鲜明对比。更重要的是，压电力显微镜的测试结果直接揭示了陶瓷中存在着尺寸为几纳米到几十纳米的细小、弥散的畴结构，这正是理论预测的极性纳米区域形成的直接证据。它们的出现，标志着材料从普通铁电体转变为弛豫铁电体，为优异的储能性能奠定了微观基础。

这种微观结构的优化，最终在宏观电性能上得到了惊人的体现。在众多掺杂样品中，La掺杂的BST-BiLT陶瓷表现最为卓越。它展现出了最高的击穿场强（~400 kV/cm）和最低的漏电流密度，表明其具备最优的绝缘性能，能够承受更高的电场。在其铁电性能上，可以看到非常细长的P-E 回线，这是高最大极化强度和极低剩余极化强度的直观表现，也是高储能效率的典型特征。最终，BST-BiLT陶瓷在400 kV/cm的高电场下，实现了3.2 J/cm³的高储能密度和79% 的储能效率，其综合性能远超其他对比样品及近年报道的多数BST基陶瓷，充分证明了本研究策略的有效性。

▲所有陶瓷样品在120 kV/cm下的P-E回线与I-E曲线

本研究成功通过异质结构掺杂（特别是La掺杂），在BST基无铅陶瓷中诱导产生了晶格应力和极性纳米区域。这种从微观机制入手的材料设计，是实现高击穿场强、高储能密度和高效率的关键。该工作不仅制备出性能优异的无铅储能陶瓷，更为设计下一代高性能介电材料提供了清晰的理论指导和可行的技术路径。

在本研究中，致真精密仪器AtomEdge Pro多功能原子力显微镜通过压电力响应显微镜（PFM）模式，直接观测到了 BST-BiLT 陶瓷中尺寸为几纳米至几十纳米的极性纳米区域（PNRs），其细小、弥散的畴结构证实了弛豫铁电相的形成，为揭示晶格应力诱导 PNRs 的微观机制提供了关键可视化证据，从而支撑了储能性能提升的结构起源解释。

AtomEdge Pro多功能原子力显微镜

AtomEdge Pro多功能原子力显微镜可对材料、电子器件、生物样本等进行三维扫描成像，实现亚埃米级形貌表征。具备接触、轻敲、非接触等多种工作模式，为用户提供了更为灵活和精准的操作选择。此外，它还集成了磁力显微镜、静电力显微镜、扫描开尔文显微镜、压电力显微镜等多种功能模式，稳定性强，可拓展性良好。此外可根据用户需求灵活定制功能模块，为特定研究领域提供针对性解决方案，实现一机多用的高效检测平台。

致真精密仪器

致真精密仪器致力于实现高端科学仪器和集成电路测试设备的自主可控和国产替代。

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