原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Chen M, Zhang L, Pu Y, et al. Stabilization mechanism of antiferroelectric Pnma phase and low-field reversible phase transition in sodium niobate-based ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221170 

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221170

ResearchGate： Stabilization mechanism of antiferroelectric Pnma phase and low-field reversible phase transition in sodium niobate-based ceramics

1、导读

反铁电材料因其在外加电场下可发生反铁电-铁电相变，在能量存储、传感器、驱动器和固态制冷等领域具有广泛应用前景。然而，纯铌酸钠（NaNbO₃）基陶瓷反铁电Pnma相稳定机制尚不明确，存在场致反铁电-铁电相变不可逆、反铁电驱动电场高（>200 kV/cm）等瓶颈问题。针对这一挑战，该研究借助第一性原理计算，构建了A位空位型固溶端元，实现了可逆的 AFE - FE 相变和较低的工作电场（< 200 kV·cm^-1）。与同类AFE体系材料相比，优化后的成分表现出更低的剩余极化。局域结构分析（见图1）显示AFE P 相具有 4 层多胞结构（约 1.65 纳米），周期性的排列被 6 层反相界（APB，约 2.44 纳米）打断，这与位错形成以及 P 相和 Q 相之间的大能量差（7.20 meV·f.u.^-1）有关。这些特性可能有助于减小畴尺寸以及降低场致 AFE→FE 相变的场强。此外，AFE Pnma相的稳定主要是由于畸变指数降低（从 0.047 降至 0.003）以及 A-O 和 B-O 键的共价性增强。该研究表明A-位空位型固溶端元可以有效稳定反铁电Pnma相，为开发低场驱动的可逆相变 AFE 材料提供了研究基础。

图1. Bi_2/3SnO₃改性NaNbO₃陶瓷的（a）选区电子衍射、（b）原始的HRTEM图、（c）位错和（d）纳米畴

2、文章亮点

1）首次在xBi_2/3SnO₃-(1-x)NaNbO₃体系中实现了低电场驱动的可逆反铁电-铁电相变，其性能显著优于现有铌酸钠基陶瓷材料。这一突破源于以下协同机制：通过A位空位工程诱导位错形成，产生局域应变场和梯度效应，有效促进铁电相成核，通过调控反铁电相与铁电相之间的自由能差（提升至7.20 meV·f.u.⁻¹）并增强A-O和B-O键共价性，实现了电场诱导的可逆相变

2）基于先进的结构表征技术，揭示了端元掺杂诱导的三阶段相演化规律。通过原子尺度分析发现，反铁电Pnma相的稳定性主要源于八面体畸变指数的大幅降低（降幅达93%，从0.047降至0.003）

3、作者及研究团队简介

陈敏，陕西科技大学/奥地利格拉茨技术大学联合培养博士，西安外事学院教师。主要从事铌酸钠反铁电陶瓷的组成设计和应用研究，在《Chemical Engineering Journal》和《Journal of the European Ceramic Society》等国际学术期刊发表SCI收录论文30余篇，其中第一作者11篇，H因子为22。授权中国发明专利11件主持或参与国家自然科学基金等项目3项，获得省部级科研奖励4项。

研究方向：反铁电陶瓷的组成设计和应用研究

作者邮箱：cmsociety@163.com

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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