西安交大科研团队在铁性材料纳米畴的相场模拟领域发表综述论文

铁电、铁磁和铁弹材料（统称为“铁性材料”）因其能够在外场作用下产生应变、极化或磁化响应，在传感器、驱动器、信息存储、能量转换以及固态制冷等领域具有重要应用前景。然而，传统铁性材料在相变过程中通常形成长程有序畴结构，这类结构往往伴随着较大的滞后损耗、有限的工作温区以及性能稳定性不足等问题，限制了其在高性能器件中的应用。近年来，研究发现，通过缺陷调控形成的纳米尺度畴结构（如应变玻璃、弛豫铁电体和自旋玻璃态等）能够显著提升材料响应灵敏度、降低滞后并拓宽工作温区，成为发展新一代高性能铁性功能材料的重要途径。然而，目前不同铁性体系中的纳米畴形成机制及其微结构——性能关系仍缺乏统一的理论描述与计算框架。

图1. 用于模拟块体铁性体系中纳米畴及其相关性能演化的统一相场建模框架

(a) 总自由能由化学能、梯度能、长程相互作用能、局域场诱导相互作用能以及外加场相互作用能组成。

(b) 各能量项在铁性体系纳米畴形成过程中发挥不同作用。其中，化学能、梯度能和长程相互作用能的引入会产生取向各向异性并形成长程有序畴结构，而局域场效应的引入则促进纳米畴的形成；外加场耦合的相互作用能决定纳米畴对外场的响应行为以及材料的有效宏观性能。

近日，西安交通大学前沿科学技术研究院、物理学院以及金属材料强度全国重点实验室研究团队在《先进材料》（Advanced Materials）发表题为《铁性纳米畴中的相场模拟：缺陷场驱动的微结构—功能调控》（Phase-Field Simulations in Ferroic Nanodomains: Defect-field Driven Microstructure–Functionality Manipulation）的综述论文。论文基于相场模拟方法，从“缺陷场—微结构—性能”协同调控的视角出发，系统梳理了铁弹、铁电与铁磁材料中纳米畴结构的形成机制及其功能特性，并提出了一个统一的相场理论框架，用以揭示缺陷驱动纳米畴形成的普适物理机制。

论文系统总结了缺陷调控纳米畴结构的形成机制及其功能特性。研究指出，点缺陷、位错、析出相和成分调制等结构缺陷会在材料局域区域产生应力、电场或磁场等“局域抑制场”，从而破坏传统长程有序畴结构的连续贯通并稳定形成纳米尺度畴结构。基于此，作者提出“抑制场—贯通”的统一机制，并构建了包含Landau自由能、长程弹性/电静力/磁静力相互作用以及缺陷场的多尺度相场模型，实现了从原子尺度缺陷到宏观功能响应的跨尺度模拟。通过对铁弹应变玻璃、弛豫铁电体和铁磁自旋玻璃等体系的研究进展进行系统梳理，文章揭示了纳米畴结构在实现宽温区超弹性、低滞后电致应变、高介电响应及高效能量存储等方面的重要作用，并进一步讨论了当前相场模拟在参数获取、多尺度耦合及大规模计算等方面的挑战，展望了机器学习辅助计算和性能导向结构设计等未来发展方向。

论文第一作者为西安交通大学前沿院助理教授梁传鑫，前沿院助理教授何利强为共同作者，物理学院张乐研究员和前沿院王栋教授为论文通讯作者。该研究依托金属材料强度全国重点实验室完成，并得到了国家自然科学基金、陕西省优秀青年科学基金、中央高校基本科研业务费以及“111计划”等项目的资助支持。