一项新研究让人们更清楚地了解长期以来关于铁电材料在电场中行为的争论。这些发现得益于一种新技术的应用，该技术使研究人员能够实时观察铁电材料在对其进行“极化”和“去极化”处理时畴壁的行为。

铁电材料广泛应用于从传感器到执行器的各种技术中，其电学性能对其用途至关重要。众所周知，通过施加电场——无论是直流电（DC）还是交流电（AC）——可以让铁电材料中的各个畴排列整齐。这被称为“极化”。然而，关于极化过程中究竟发生了什么，一直存在重大争论。

“我们现在能够实时观察正在发生的情况，这让我们对其中起作用的机制有了更深入的了解——这将指导我们如何设计材料，以产生我们所追求的电学特性，”该研究两篇论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授刘军表示。

一项关于畴壁在电场中行为的研究发表在《先进科学》杂志上。一篇专门介绍铁电畴壁图像捕获新方法的论文发表在《科学仪器评论》上。

“在这项研究之前，你可以测量材料的极化状态，然后施加电场，再测一次极化状态，”论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程杰出教授Kara Peters说。“所以你可以看到前后变化，但不明白是什么导致了这种转变。”

测量材料极化状态的传统技术需要拍摄材料样品的多张图像，每拍摄一张图像就需要改变一次光源的光学偏振。研究人员随后可以通过分析所得数据来了解材料电极化的变化。

“我们开发了一种技术，可以在单张图像里拍下铁电材料的极化变化，”Peters说。“我们的做法是把一束白光分成好几个波长，每个波长的偏振都不一样。这样我们一次拍摄就能拿到所有相关数据。这里的关键限制就是相机的帧率，所以每秒能拍到上千帧——不过这篇论文里我们只拍了每秒100帧。对我们来说够用了。”

“这项技术让我们能看到材料里畴与畴之间的边界——也就是畴壁——在加上电场之后是怎么动、怎么变的，”Liu说。

研究人员对这些极化过程中到底发生了什么，一直有不少争论。其中一场争论就是围绕：加交流电场的时候，材料会不会跟着快速反复极化。

“以前想用单张图像在高帧率下解决这个问题是不可能的，所以我们没法看到电场真正加上的时候到底发生了什么——我们只能看到加电场之前和之后的状态，要么就是用远低于实际变化速度的帧率去看，”论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系Dean F. Duncan杰出教授蒋晓宁表示。“没错，施加交流电场时，极化确实会交替变化。我们总算把其中几个争议给说清楚了。”

“这项新技术让我们头一次能深入了解交流极化、直流极化和电去极化是怎么影响材料极化的，”刘说。“我们能不能用这个来制定更好的方案，让我们更好地调控铁电材料？这就是我们接下来要研究的问题。”

更多信息： Ziqi Wang 等，电场极化和去极化过程中铁电畴壁的实时动力学，《Advanced Science》（2026年）。DOI: 10.1002/advs.76513

Anastasia Timofeeva 等，利用瞬时偏振光显微镜对铁电单晶中的畴壁进行原位成像，《科学仪器评论》(2026)。DOI: 10.1063/5.0299682