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《Nature Communications》压电研究新进展

发布时间2022-07-15 浏览次数：425

《Nature Communications》压电研究新进展

推荐;ZJ-4型宽量程D33测试仪，PZT-JH30/3型多功能极化装置，ZJ-YP15型压片机，TDZT-4型铁电综合测试系统，GWJDN-1000型高温介电测试系统

【研究背景】

如何获得优异压电性能一直是压电材料研究领域的研究热点。一种常见的方法是控制氧化物-钙钛矿铁电体成分与准同型相界（MPB）的关系，其中可以实现较大的机电耦合效应。该方法涉及化学成分工程，使其具有具有类似能量但不同结构的竞争极性相，导致在外部电场下发生极化旋转的大应变。MPBs附近的纳米级结构和化学异质性在通过展平热力学能量表面实现大压电响应方面发挥着重要作用。在外部掺杂剂的帮助下，复杂化学计量的精细控制通常对于实现所需的多相共存和局部异质性至关重要。由于挥发性和扩散性物质的损失增加，尤其是当薄膜制备涉及高温生长或退火时，与大块铁电薄膜相比，控制化学计量比加困难。此外，衬底钳位效应可导致铁电薄膜中MPB的移位甚至缺失。因此，需要替代的策略。在这方面，通过化学和机械诱导的纳米级缺陷，如空位、位错和沉淀物，在钙钛矿氧化物铁电晶体和陶瓷中观察到压电响应的大幅改善。在铁电氧化物薄膜中，与理想化学计量比偏差相关的缺陷可导致结构和极化不均匀性，从而导致各种应变和极性状态。这些可以通过薄膜生长条件控制，而不需要复杂的成分或大量的化学掺杂。近，在含有与化学计量比相关的扩展晶格缺陷的铌酸钠薄膜中观察到巨大的机电耦合。如尺度模拟所示，晶格缺陷导致结构和极性不均匀性，导致了较大的响应。然而，基本上需要了解与扩展缺陷的原子结构相关的物理机制，以便能够控制这些缺陷，并设计出具有改进机电耦合的薄膜基于此，作者报告了由非化学计量引起的具有高密度平面缺陷（PFs）的铌酸钾钠外延薄膜中的巨大机电响应。详细的结构分析提供了由性原理计算支持的原子尺度上的成分、结构和性能之间的联系。在1 kHz频率下有效压电系数d₃₃～1900 pm V，几乎是近发现NaNbO3的1098 pm V的巨大压电响应的两倍。在100 Hz和83.3 kV cm的电场下，实现了5.6%的巨大电场诱导可逆应变。使用原子分辨显微镜和各种光谱技术来阐明PFs的结构。结合性原理计算，建立了它们与纳米尺度上的多个局部极化状态的关系。分析了机电、介电和导电响应随电压、温度和频率的变化，阐明了功率因数在引起巨电场感应应变中的作用。结果表明，在外电场作用下，由于电荷迁移介导的极化旋转，PFs处的离子位移可以很好地解释缺陷碱铌酸盐薄膜中的巨大d₃₃、和电场诱导应变。

【成果简介】

铁电体中的大型机电响应对于开发高性能传感器和执行器是非常理想的。铁电体中增强的机电耦合通常在需要对复杂成分进行化学计量控制的晶型相边界处获得。近的研究表明，在具有纳米柱结构的薄膜中可以获得巨大的压电性。从原子结构的角度阐明了它的起源，并展示了一个具有极大增强响应的不同系统。这是在具有高密度自组装平面缺陷的非化学计量铌酸钾钠外延薄膜中。巨大的压电系数～在1 kHz时，每伏1900皮米，几乎是任何现有薄膜中所报告的高有效压电响应的两倍。大的氧八面体畸变以及由平面断层处电荷重新分布介导的结构畸变和极化方向之间的耦合导致了巨大的电场诱导应变。证明了实现前所未有的巨大机电耦合的重要机制，并且可以通过在非化学计量成分中工程晶格缺陷扩展到许多其他材料功能。