钙钛矿结构钛酸铅以及掺杂钛酸铅(固溶体弛豫铁电体)是应用最为广泛的多功能材料体系之一,它们在外场(如光、电、力热等)下的微结构及畴/相演变特性对于铁电、压电、光电和存储器应用领域具有重要的意义。本文主要通过透射电子显微镜,激光拉曼散射及其原位研究技术,结合X光衍射,扫描电子显微镜,电子散射能谱等辅助方法,对钛酸铅单晶纳米棒和铌镁酸铅-钛酸铅单晶的微结构特性、在外场下的畴/相演变行为进行了研究。从而对通过调控该系列材料的微观尺寸/形状、微区畴/相结构达到功能增强的基础研究和器件设计有了进一步的认识,同时也给出了相关的微结构、性能参数。我们发现对于直径60～80nm、长度几个微米钛酸铅单晶纳米棒,该纳米棒为四方相结构,棒沿[100]晶向生长,其四方-立方(即铁电-顺电,对应于低频软模的拉曼峰的消失)相变过程中表现出明显的尺寸效应:居里点为440℃,低于块材53℃。与块材相比,E(1TO)模的软化行为的有所减弱-意味着铁电性的下降,晶胞四方率降低,元胞体积缩小。该纳米棒的成核生长过程中因表面受限而产生晶格畸变并导致尺寸效应,通过在制备过程中使用表面活性剂等手段,我们可以有效地控制该效应。我们利用透射电镜高分辨像(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)技术研究了铌镁酸铅-钛酸铅单晶的畴、相结构,重点关注衍射点发生的分裂(及畴/相微结构重整,分裂的行为和畴所处的相以及畴结构的类型密切相关)。通过总结该材料中衍射(即倒空间点阵)的分裂规律,我们即可以得到正空间畴/相微结构的演化规律。例如:我们的发现铌镁酸铅-钛酸铅单晶四方相的90°畴的衍射点分裂的方向往往垂直于畴界,分裂的大小与(c/a-1)成正比(c,a为晶格参数),并与密勒指数的和|h+ l|成正比。该类型的畴演变导致产生孪晶扭曲形变,90°畴界即为孪晶面,从而给出大小为c/a-1的应变。所以,通过畴/相微结构重整,在铌镁酸铅-钛酸铅材料中引入较大的c/a率或局部的c/a率的变化,都将是提高该材料压电、柔韧性和机械写入存储性能的有效途径。进一步,我们外加电场和应力场,在透射电镜中原位研究了 PMN-PT单晶的畴结构在外场下的响应。外电场下银镁酸铅-钛酸铅畴界运动的弛豫时间较长,这是由于材料中存在着很小的纳米畴(即具有高密度的畴界),而畴界上的钉扎中心如氧空缺等就是畴运动必须克服的势垒;此外,纳米畴结构形成的局域闭合涡旋会导致电场屏蔽,也不利于电场的畴翻转。相对而言,在外加应力场条件下,畴界总是可以较快地完成纵向生长,之后将垂直于畴界方向横向生长、以及合并,这也揭示了利用力场改变铌镁酸铅-钛酸铅材料中的微畴结构的优势。最后,我们在室温下利用高压应力场在铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料中引入了相结构的重整。结合高压激光拉曼散射的原位研究和透射电镜观测,我们发现了在高压加载达到11GPa时,铌镁酸铅-钛酸铅开始出现明显的相结构重整,表现为740cm-1和810cm-1振动模式的合并。由于低频软模的拉曼峰依然存在,该相结构变化并非经典理论给出的压致四方-立方(铁电-顺电)相变。由于在铁电-压电材料中不同方向的应力、电场(二者相互耦合)能够产生完全不同的相变次序,对应于不同的相图和相界。我们认为在高压下出现的该相结构的转变是趋向于一个铁电相-铁电相的准同相界(该准同相界的出现将导致材料压电性能的极大增强),相应的透射电镜电子衍射结果也验证了这一观点。