铁电材料领域再获突破，挑战传统认识

来源：材料科学与工程

1月16日，英国《自然》期刊在线发表了西安交大压电单晶研究团队的最新学术成果：“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity（具有超高压电效应的透明铁电单晶）”。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1891-y

铁电材料是一种能够实现电-声信号转换的智能材料，广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。然而，由于铁电体存在大量的畴壁和晶界，传统的高性能压电材料，如Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程畴结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）单晶材料，通常在可见光波段是不透明的。这一问题长期地阻碍了人们试图将可见光耦合到高性能压电器件中的设想。

a 本工作所得到的透明高性能压电单晶材料照片 b 单晶透光率实验数据

西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、哈尔滨工业大学等单位合作，利用交变电场来极化PMN-PT铁电晶体，从而完全消除了对光有散射作用的铁电畴壁，从而获得了兼具高压电系数（>2100 pC/N）、高电光系数（220 pm/V）和理论极限透光率的铁电晶体材料。这项研究工作所获得的透明压电晶体将有效地推动声-光-电多功能耦合器件的设计与开发，例如透明触觉传感器、具有能量收集功能的透明压电触摸屏、用于光声成像的高性能透明超声换能器等。

此外，在压电机理研究方面，基于相场模拟和原位实验表征，研究团队还发现，在PMN-PT晶体中，减小畴壁密度（或增大电畴尺寸）可使晶体压电和介电性能大幅增加，挑战了人们长期以来由于钛酸钡晶体研究工作而形成的高畴壁密度产生高压电效应的传统认识，为今后压电材料的设计提供了思路。

该论文第一作者包括西安交大电信学部邱超锐博士生、张楠教授和美国宾州州立大学王博博士。西安交大李飞教授和徐卓教授及美国宾州州立大学陈龙庆教授为论文通讯作者。参与本项工作的还包括澳大利亚伍伦贡大学张树君教授、美国宾州州立大学Tom Shrout教授、哈尔滨工业大学田浩教授等。研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部111引智计划、教育部联合基金、西安交通大学青年拔尖人才计划和中央高校基本科研业务费等项目的支持。