[论文解读] Tunable dislocations overcome mechano-functional tradeoff in perovskite oxides

Jiawen Zhang, Wenjun Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2026

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 0

一句话总结

论文表明，在 KTaO3 中种子位错会引发非单调的脆-塑-脆转变，并在位错密度变化时揭示机械耐久性与功能性之间的权衡。

ABSTRACT

Recent advancements in dislocation engineering are reshaping the traditional view towards ceramics being brittle. Here, we use KTaO3 (KTO), a perovskite oxide that is newly discovered with room-temperature bulk plasticity, and demonstrate that the seeded dislocations can effectively tune both mechanical and functional properties. We uncover a novel brittle-ductile-brittle (BDB) transition: low dislocation densities lead to brittle failure, intermediate densities (~10*14 m-2) enable superior ductility with strains over 20%, and high dislocation densities (~10*15 m-2) induce again brittle fracture. This dislocation density-dependent non-monotonic mechanical response challenges the traditional behavior of ceramics and offers new design opportunities. Furthermore, dislocation densities can monotonically decrease thermal conductivity, revealing a tradeoff between mechanical strength and functionality. The findings reveal a critical threshold of dislocation density in optimizing the performance of functional oxides, and provide a new framework for using dislocations to design advanced materials where mechanical durability and enhanced functionality are intertwined.

研究动机与目标

• 以位错工程作为克服陶瓷脆性的途径进行动机阐述。
• 在 KTaO3 (KTO) 中 Demonstrate room-temperature bulk plasticity 并展示种子位错如何调节机械与功能属性。
• 识别导致不同机械响应（脆、塑、脆）的位错密度区域。
• 研究位错密度如何影响热导率和功能性能。

提出的方法

• 在 KTaO3 中播种并控制位错，以绘制不同位错密度下的机械响应。
• 表征机械行为以识别脆-塑-脆转变。
• 量化位错密度与机械强度/延展性的关系。
• 评估增加位错密度如何影响热导率和功能属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 KTaO3 中哪些位错密度范围导致脆、塑、脆性失效？
• RQ2 种子位错如何同时影响机械耐久性与如热传导等功能属性？
• RQ3 是否存在一个关键的位错密度阈值，使功能性氧化物的性能达到最佳？

主要发现

• 低位错密度导致脆性失效。
• 中等密度（~10*14 m-2）实现可塑性，变形超过 20%。
• 高位错密度（~10*15 m-2）再次诱导脆性断裂。
• 位错密度单调降低热导率，揭示了机械–功能之间的权衡。
• 存在一个临界位错密度阈值，在功能性氧化物中实现性能最优化。