近日，材料学院韩高荣教授、任召辉副教授课题组与电镜中心张泽院士、田鹤研究员课题组通力合作在零膨胀材料的设计与机理研究上取得了重要进展，通过介孔微结构的引入将单晶铁电材料的热膨胀性能调制为接近于零。相关成果以“Mesopores induced zero thermal expansion in single-crystal ferroelectrics” 为题发表在4月24号出版的Nature Communications上。
众所周知，大多数材料在温度变化时呈现热胀冷缩的性质，而有一类特殊的材料因其在温度变化时体积基本保持不变，被称为零膨胀材料。一直以来，零膨胀材料因其在高精度仪器、极端条件元器件等方面极具应用价值而备受关注。然而，目前发现的零膨胀材料（包括Invar合金等）仍非常少，设计制备宽工作温度范围、低膨胀系数的零膨胀材料仍是该领域的核心目标。
针对这一问题，课题团队在之前研究的基础上将大量尺寸为5-10 nm的封闭介孔引入到单晶钙钛矿钛酸铅纤维之中，发现介孔能够有效地调制钛酸铅纤维的热膨胀性能，其晶胞体积在293-623 K温度范围内基本保持不变。系统的原位实验及微结构研究表明，封闭介孔内存在着正负铁电极化表面，这些表面分别由氧离子、氧空位的聚集而被屏蔽。这一特殊的自发铁电极化屏蔽机制使得介孔微区附近的铁电性消失，从而显示出正膨胀性能。这一特性与钛酸铅本征的负膨胀性质相协同，从而使单晶介孔钛酸铅纤维表现出零膨胀的特性。
这一研究揭示了铁电体内部表面微结构的构建及其铁电极化屏蔽机制对材料热膨胀性能起到了显著调控作用，为设计、制备性能优异的单相零膨胀材料提供了新思路。
上述研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点基础研究发展规划（973计划）、硅材料国家重点实验室、中央高校基本科研业务费等项目的大力资助。论文第一作者为任召辉副教授，通讯作者为田鹤研究员和韩高荣教授。
论文链接： http://www.nature.com/articles/s41467-018-04113-y
单晶介孔钛酸铅纤维微结构与孔内铁电极化屏蔽：(a-b) 纤维截面SEM、TEM照片、(c-d) 整体材料与介孔微区的晶胞体积随温度变化曲线、(e)孔内极化屏蔽机制示意图
