《Nature Communications》壓電研究新進(jìn)展

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《Nature Communications》壓電研究新進(jìn)展

推薦;ZJ-4型寬量程D33測(cè)試儀，PZT-JH30/3型多功能極化裝置，ZJ-YP15型壓片機(jī)，TDZT-4型鐵電綜合測(cè)試系統(tǒng)，GWJDN-1000型高溫介電測(cè)試系統(tǒng)

【研究背景】

如何獲得優(yōu)異壓電性能一直是壓電材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一種常見(jiàn)的方法是控制氧化物-鈣鈦礦鐵電體成分與準(zhǔn)同型相界（MPB）的關(guān)系，其中可以實(shí)現(xiàn)較大的機(jī)電耦合效應(yīng)。該方法涉及化學(xué)成分工程，使其具有具有類似能量但不同結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)極性相，導(dǎo)致在外部電場(chǎng)下發(fā)生極化旋轉(zhuǎn)的大應(yīng)變。MPBs附近的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和化學(xué)異質(zhì)性在通過(guò)展平熱力學(xué)能量表面實(shí)現(xiàn)大壓電響應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。在外部摻雜劑的幫助下，復(fù)雜化學(xué)計(jì)量的精細(xì)控制通常對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的多相共存和局部異質(zhì)性至關(guān)重要。由于揮發(fā)性和擴(kuò)散性物質(zhì)的損失增加，尤其是當(dāng)薄膜制備涉及高溫生長(zhǎng)或退火時(shí)，與大塊鐵電薄膜相比，控制化學(xué)計(jì)量比加困難。此外，襯底鉗位效應(yīng)可導(dǎo)致鐵電薄膜中MPB的移位甚至缺失。因此，需要替代的策略。在這方面，通過(guò)化學(xué)和機(jī)械誘導(dǎo)的納米級(jí)缺陷，如空位、位錯(cuò)和沉淀物，在鈣鈦礦氧化物鐵電晶體和陶瓷中觀察到壓電響應(yīng)的大幅改善。在鐵電氧化物薄膜中，與理想化學(xué)計(jì)量比偏差相關(guān)的缺陷可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和極化不均勻性，從而導(dǎo)致各種應(yīng)變和極性狀態(tài)。這些可以通過(guò)薄膜生長(zhǎng)條件控制，而不需要復(fù)雜的成分或大量的化學(xué)摻雜。近，在含有與化學(xué)計(jì)量比相關(guān)的擴(kuò)展晶格缺陷的鈮酸鈉薄膜中觀察到巨大的機(jī)電耦合。如尺度模擬所示，晶格缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和極性不均勻性，導(dǎo)致了較大的響應(yīng)。然而，基本上需要了解與擴(kuò)展缺陷的原子結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理機(jī)制，以便能夠控制這些缺陷，并設(shè)計(jì)出具有改進(jìn)機(jī)電耦合的薄膜基于此，作者報(bào)告了由非化學(xué)計(jì)量引起的具有高密度平面缺陷（PFs）的鈮酸鉀鈉外延薄膜中的巨大機(jī)電響應(yīng)。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析提供了由性原理計(jì)算支持的原子尺度上的成分、結(jié)構(gòu)和性能之間的聯(lián)系。在1 kHz頻率下有效壓電系數(shù)d₃₃～1900 pm V，幾乎是近發(fā)現(xiàn)NaNbO3的1098 pm V的巨大壓電響應(yīng)的兩倍。在100 Hz和83.3 kV cm的電場(chǎng)下，實(shí)現(xiàn)了5.6%的巨大電場(chǎng)誘導(dǎo)可逆應(yīng)變。使用原子分辨顯微鏡和各種光譜技術(shù)來(lái)闡明PFs的結(jié)構(gòu)。結(jié)合性原理計(jì)算，建立了它們與納米尺度上的多個(gè)局部極化狀態(tài)的關(guān)系。分析了機(jī)電、介電和導(dǎo)電響應(yīng)隨電壓、溫度和頻率的變化，闡明了功率因數(shù)在引起巨電場(chǎng)感應(yīng)應(yīng)變中的作用。結(jié)果表明，在外電場(chǎng)作用下，由于電荷遷移介導(dǎo)的極化旋轉(zhuǎn)，PFs處的離子位移可以很好地解釋缺陷堿鈮酸鹽薄膜中的巨大d₃₃、和電場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變。

【成果簡(jiǎn)介】

鐵電體中的大型機(jī)電響應(yīng)對(duì)于開發(fā)高性能傳感器和執(zhí)行器是非常理想的。鐵電體中增強(qiáng)的機(jī)電耦合通常在需要對(duì)復(fù)雜成分進(jìn)行化學(xué)計(jì)量控制的晶型相邊界處獲得。近的研究表明，在具有納米柱結(jié)構(gòu)的薄膜中可以獲得巨大的壓電性。從原子結(jié)構(gòu)的角度闡明了它的起源，并展示了一個(gè)具有極大增強(qiáng)響應(yīng)的不同系統(tǒng)。這是在具有高密度自組裝平面缺陷的非化學(xué)計(jì)量鈮酸鉀鈉外延薄膜中。巨大的壓電系數(shù)～在1 kHz時(shí)，每伏1900皮米，幾乎是任何現(xiàn)有薄膜中所報(bào)告的高有效壓電響應(yīng)的兩倍。大的氧八面體畸變以及由平面斷層處電荷重新分布介導(dǎo)的結(jié)構(gòu)畸變和極化方向之間的耦合導(dǎo)致了巨大的電場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變。證明了實(shí)現(xiàn)前所未有的巨大機(jī)電耦合的重要機(jī)制，并且可以通過(guò)在非化學(xué)計(jì)量成分中工程晶格缺陷擴(kuò)展到許多其他材料功能。

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