《Nature Communications》壓電研究新進展

發布時間：2022-07-15瀏覽次數：1025返回列表

《Nature Communications》壓電研究新進展

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【研究背景】

如何獲得優異壓電性能一直是壓電材料研究領域的研究熱點。一種常見的方法是控制氧化物-鈣鈦礦鐵電體成分與準同型相界（MPB）的關系，其中可以實現較大的機電耦合效應。該方法涉及化學成分工程，使其具有具有類似能量但不同結構的競爭極性相，導致在外部電場下發生極化旋轉的大應變。MPBs附近的納米級結構和化學異質性在通過展平熱力學能量表面實現大壓電響應方面發揮著重要作用。在外部摻雜劑的幫助下，復雜化學計量的精細控制通常對于實現所需的多相共存和局部異質性至關重要。由于揮發性和擴散性物質的損失增加，尤其是當薄膜制備涉及高溫生長或退火時，與大塊鐵電薄膜相比，控制化學計量比加困難。此外，襯底鉗位效應可導致鐵電薄膜中MPB的移位甚至缺失。因此，需要替代的策略。在這方面，通過化學和機械誘導的納米級缺陷，如空位、位錯和沉淀物，在鈣鈦礦氧化物鐵電晶體和陶瓷中觀察到壓電響應的大幅改善。在鐵電氧化物薄膜中，與理想化學計量比偏差相關的缺陷可導致結構和極化不均勻性，從而導致各種應變和極性狀態。這些可以通過薄膜生長條件控制，而不需要復雜的成分或大量的化學摻雜。近，在含有與化學計量比相關的擴展晶格缺陷的鈮酸鈉薄膜中觀察到巨大的機電耦合。如尺度模擬所示，晶格缺陷導致結構和極性不均勻性，導致了較大的響應。然而，基本上需要了解與擴展缺陷的原子結構相關的物理機制，以便能夠控制這些缺陷，并設計出具有改進機電耦合的薄膜基于此，作者報告了由非化學計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電響應。詳細的結構分析提供了由性原理計算支持的原子尺度上的成分、結構和性能之間的聯系。在1 kHz頻率下有效壓電系數d₃₃～1900 pm V，幾乎是近發現NaNbO3的1098 pm V的巨大壓電響應的兩倍。在100 Hz和83.3 kV cm的電場下，實現了5.6%的巨大電場誘導可逆應變。使用原子分辨顯微鏡和各種光譜技術來闡明PFs的結構。結合性原理計算，建立了它們與納米尺度上的多個局部極化狀態的關系。分析了機電、介電和導電響應隨電壓、溫度和頻率的變化，闡明了功率因數在引起巨電場感應應變中的作用。結果表明，在外電場作用下，由于電荷遷移介導的極化旋轉，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、和電場誘導應變。

【成果簡介】

鐵電體中的大型機電響應對于開發高性能傳感器和執行器是非常理想的。鐵電體中增強的機電耦合通常在需要對復雜成分進行化學計量控制的晶型相邊界處獲得。近的研究表明，在具有納米柱結構的薄膜中可以獲得巨大的壓電性。從原子結構的角度闡明了它的起源，并展示了一個具有極大增強響應的不同系統。這是在具有高密度自組裝平面缺陷的非化學計量鈮酸鉀鈉外延薄膜中。巨大的壓電系數～在1 kHz時，每伏1900皮米，幾乎是任何現有薄膜中所報告的高有效壓電響應的兩倍。大的氧八面體畸變以及由平面斷層處電荷重新分布介導的結構畸變和極化方向之間的耦合導致了巨大的電場誘導應變。證明了實現前所未有的巨大機電耦合的重要機制，并且可以通過在非化學計量成分中工程晶格缺陷擴展到許多其他材料功能。

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