A solid-solution approach for room-temperature bulk plasticity in KTa1-xNbxO3
本文引入了一种利用 KTa1-xNbxO3 钙钛矿氧化物进行的固溶法，以克服以往的局限性并实现室温体塑性，从而显著扩大了用于位错工程功能特性的材料范围。
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我们现代电子产品所依赖的大多数材料，从手机中的电容器到医疗设备中的传感器，都是由被称为钙钛矿氧化物的特定陶瓷家族制成的。这些材料因其能够将电能转化为动能以及反之亦然的能力而备受青睐，但它们也有一个顽固且令人沮丧的特性：脆性。就像一件精美的瓷器，如果你试图弯曲它们，它们会破碎而不是弯曲。几十年来，科学家们一直希望通过在晶体结构中引入被称为“位错”的一维微小缺陷来“工程化”这些材料。这些缺陷就像内部的接缝，允许材料在不破裂的情况下流动和改变形状，从而可能开启控制其电学和磁学性能的新途径。然而，一个主要的障碍一直存在：如何找到一种方法，在室温下于大块固体材料中创造出这些缺陷而不导致其开裂。直到现在，这种室温塑性性的成就仅在三种非常特定的稀有材料中实现过。
一支研究团队现在提出了一种简单而强大的解决方案，以扩大这一有限的名单。通过将两种已知的塑性材料混合在一起，他们创造了一个新的晶体家族，这个家族可以像原材料一样被弯曲和塑形，但具有更广泛的可能成分。研究人员专注于铌酸钾和钽酸钾的混合物，这两种材料此前已经显示出能够在压力下发生形变。他们创建了一种固溶体，本质上是一种两种不同类型的原子随机占据相同结构位置的晶体，就像将两种不同颜色的沙子混合成一堆均匀的沙堆一样。这种新材料——钽酸铌酸钾，经过了测试，以观察它是否保留了不破裂而弯曲的能力。团队生长了具有不同成分比例的大尺寸单晶混合物，并对其进行了一系列严格的物理测试。他们用一个坚硬的钢球压入晶体表面并前后刮擦，寻找塑料流动的典型迹象。他们还通过两个平板挤压大块材料，以精确测量使材料发生永久变形所需的力。
结果证实，这种混合物是有效的。当研究人员将钢球压向表面时，材料并没有开裂；相反，它发生了流动，留下了表明内部结构已经移动和重组的滑移线模式。这种行为在广泛的混合比例中都被观察到，从其中一种成分极少到两种成分等量的各种情况。为了了解材料内部发生了什么，团队使用强大的电子显微镜观察了刮擦区域内的原子结构。他们发现那里存在高密度的、正是他们希望创造出的位错，证明了材料确实经历了塑性变形。研究表明，这种弯曲能力并非单一特定配方的偶然现象，而是整个混合晶体家族的一种基本属性，前提是它们能被生长为高质量的单晶。虽然弯曲材料所需的精确力量根据具体混合比例略有不同，但研究人员指出，材料之所以保持柔韧，是因为移动位错所需的应力低于使样品发生断裂所需的应力。
最重要的发现之一是，随着成分的结合，混合物并没有变得更软；事实上，对于某些成分，该材料比纯母体材料需要更大的力才能使其变形。研究人员观察到，这些晶体可以在室温下被压缩和弯曲，这在以前被认为对于大多数陶瓷是不可能的。这一发现为材料科学家打开了一套全新的工具箱。他们不再局限于仅仅三种稀有材料，而是可以通过简单地调整成分比例来探索整个成分光谱，从而调节材料的特性。这项工作表明，如果一个晶体可以被生长出来，它很可能也能被制造得具有弯曲性，这为设计不仅功能完备而且耐用且适应性强的下一代先进电子元件提供了一条新路径。通过证明这种方法行之有效，该团队为发现更多可以被塑造和工程化的材料提供了清晰的路线图，以用于下一代技术。
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