西安交大《Nature》:具有超高壓電效應的透明鐵電單晶

2020-11-26 騰訊網

1月16日，英國《自然》期刊在線發表了西安交大壓電單晶研究團隊的最新學術成果：「Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity（具有超高壓電效應的透明鐵電單晶）」。

鐵電材料是一種能夠實現電-聲信號轉換的智能材料，廣泛應用於超聲、水聲、電子、自控、機械等諸多領域。然而，由於鐵電體存在大量的疇壁和晶界，傳統的高性能壓電材料，如Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程疇結構的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）單晶材料，通常在可見光波段是不透明的。這一問題長期地阻礙了人們試圖將可見光耦合到高性能壓電器件中的設想。

a 本工作所得到的透明高性能壓電單晶材料照片 b單晶透光率實驗數據

西安交大研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學、澳大利亞伍倫貢大學、哈爾濱工業大學等單位合作，利用交變電場來極化PMN-PT鐵電晶體，從而完全消除了對光有散射作用的鐵電疇壁，從而獲得了兼具高壓電係數（>2100 pC/N）、高電光係數（220 pm/V）和理論極限透光率的鐵電晶體材料。這項研究工作所獲得的透明壓電晶體將有效地推動聲-光-電多功能耦合器件的設計與開發，例如透明觸覺傳感器、具有能量收集功能的透明壓電觸控螢幕、用於光聲成像的高性能透明超聲換能器等。此外，在壓電機理研究方面，基於相場模擬和原位實驗表徵，研究團隊還發現，在PMN-PT晶體中，減小疇壁密度（或增大電疇尺寸）可使晶體壓電和介電性能大幅增加，挑戰了人們長期以來由於鈦酸鋇晶體研究工作而形成的高疇壁密度產生高壓電效應的傳統認識，為今後壓電材料的設計提供了思路。

該論文第一作者包括西安交大電信學部邱超銳博士生、張楠教授和美國賓州州立大學王博博士。西安交大李飛教授和徐卓教授及美國賓州州立大學陳龍慶教授為論文通訊作者。參與本項工作的還包括澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授、美國賓州州立大學Tom Shrout教授、哈爾濱工業大學田浩教授等。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部111引智計劃、教育部聯合基金、西安交通大學青年拔尖人才計劃和中央高校基本科研業務費等項目的支持。

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