纳米尺度高能电子束与压电效应的完美协作

具有压电效应的纳米晶体已被广泛应用于可植入生物器件、可穿戴设备、自发电系统等多个领域，它们通过将材料形变时产生的机械能转变为电能来实现能量的转化、收集与利用。然而，由于单晶压电纳米晶体较难制备，且更难实时观察它们的形变过程，因此目前对单晶压电纳米晶体形变机理的探究仍是空白。近日，美国普林斯顿大学的吴凡博士与导师姚楠教授（点击查看介绍）利用透射电镜(TEM)中的高能电子束和铌镁酸铅晶体（PMN-PT新型压电材料）本身压电效应的相互协作，攻克了这一难题。

众所周知，化石燃料不仅濒临枯竭，而且化石能源的开采和燃烧还带来了诸多严重的环境问题，比如酸雨、大气污染、全球变暖等等。因此，尽快找到新的可替代清洁能源刻不容缓。压电材料能将生活中无处不在的机械能（比如跑步、走路、打字、心脏跳动、血液循环等人体活动时产生的能量）转变为电能，因此诸多小型器件（比如医用可植入设备、可穿戴器件、微机电系统等）已广泛应用压电纳米晶体作为发电材料。以往在研究纳米晶体的形变时，唯一的办法就是利用特制的原位透射电镜样品台对样品进行形变，并实时观测，可这一方法有诸多严重问题，比如费用高昂、设备复杂、难以精确控制单个纳米晶粒的形变程度与方向、形变量过大等等。

普林斯顿大学团队开创性地将铌镁酸铅（PMN-PT）晶体优越的压电性能和透射电镜(TEM)的高能量电子束结合在一起，巧妙的解决了这个难题。由于铌镁酸铅纳米晶体不导电，当透射电镜中的高能电子束（200 KeV）照射到铌镁酸铅晶体上时，电子就会无规则、不均匀地积聚在晶粒表面，形成局部电势差。又由于铌镁酸铅晶体的超高压电系数，能将电势差转化为内部应力，因此被高能电子束照射的铌镁酸铅晶粒就会受力发生形变。这样，只要在透射电镜中聚焦电子束，照射在恰好正轴的铌镁酸铅纳米晶粒上，就能在原子尺度上实时观察压电纳米晶粒的形变，并探究其机理。这一方法不仅规避了原位TEM样品台繁琐的设备、高昂的成本，而且实现了对单个纳米晶粒的局部形变及实时观测，方便又高效。

利用这一套方法，吴凡博士成功观测到了铌镁酸铅纳米晶粒形变过程中栾晶、层错、位错的产生、演变及消亡（见原文，文末链接）。其中不乏五次栾晶这样的复杂缺陷（如下图所示）。这些缺陷演变过程的实时观测填补了压电纳米晶领域形变机理研究的空白。

值得注意的是，该研究中的铌镁酸铅纳米晶粒也是在透射电镜中制备的（如下图）。首先，通过溶胶凝胶法制得单晶铌镁酸铅纳米带，然后将纳米带均匀沉积到透射电镜样品台上，并用聚焦高能电子束照射单根纳米带。这样就能激发铌镁酸铅纳米晶晶粒形核并析出。

随着电子束的不断轰击，铌镁酸铅纳米晶粒就从母体纳米带中不断析出并积聚，最终形成稳定的纳米晶体颗粒。下图中的连续原位透射电镜图片完整地展现了这一过程。若在铌镁酸铅纳米晶粒逐渐稳定后继续用电子束轰击，则引发了前文所述的晶粒形变以及晶粒内部的缺陷产生、演变和消亡。

这一成果近期发表在国际能源类顶级期刊《Nano Energy》上。

该论文作者为：Fan Wu, Nan Yao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

In-situ synthesis and defect evolution of single-crystal piezoelectric nanoparticles

Nano Energy, 2016, 28, 195-205, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.042

导师介绍

姚楠教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/35072