西安交大博士生發現增強弛豫鐵電體性能的新機制

2020-11-26 中國科技新聞網

 科技日報 孟祥麗 記者 史俊斌

記者26日從西安交通大學獲悉：該校前沿科學技術研究院多學科材料研究中心博士生楊陽和青年教師紀元超副教授在院長任曉兵教授指導下，首次發現了一種能有效增強弛豫鐵電體性能的機制，為設計高性能弛豫鐵電體材料提供了一種全新思路。該項成果於9月24日在物理學旗艦期刊《物理評論快報》發表。

    

鐵電材料是一類重要的功能材料，已經被廣泛的應用在航空、航天、通信、國防等高科技領域，年產值己達數百億美元。鐵電材料由於發生了從順電相到鐵電相的相變，導致其微觀尺度上具有微米鐵電疇、宏觀尺度上具有鐵電性。不同於傳統的鐵電材料，弛豫鐵電材料是一種微觀尺度上具有納米極性微區（PNRs）而宏觀尺度上呈現為「順電相」的材料。由於其與眾不同的宏觀/微觀結構，弛豫鐵電材料具有在寬溫域下高介電性能和窄滯後電致伸縮等性能, 有望在微位移器、傳感器、儲能器等應用領域引起革命式的變革。然而，由於宏觀尺度上表現為單一「順電相」的特徵，迄今為止，人們沒有發現一種能有效增強弛豫鐵電體性能的機制，使得弛豫鐵電體材料的發展研究陷入了瓶頸。

    

    

楊陽和紀元超等人首次在弛豫鐵電體體系中提出了一種全新的物理概念——準同型弛豫體邊界（Morphotropic Relaxor Boundary，MRB），並發現其能夠數倍增強弛豫鐵電體性能。具體表現為：在報導的鈮酸鉀鈉—鈦酸鋇（KNN-BT）弛豫鐵電體體系中，跟非MRB成分相比，MRB成分實現了在超過100攝氏度的寬溫域範圍內，近1.5倍的介電性能增強以及近3倍的電致伸縮效應的增強。MRB增強弛豫鐵電體性能機制，類似於傳統鐵電材料中的準同型相界增強機制。論文作者發現弛豫鐵電體雖然宏觀上表現為單一「順電相」的特徵，但是微觀尺度上具有不同晶體對稱性的PNRs，即存在四方弛豫鐵電體（T relaxor）和三方弛豫鐵電體（R relaxor）。然後，作者利用的PNRs能夠具有不同的對稱性，構建MRB，從而在MRB成分處實現了增強弛豫鐵電體性能的目標。

此項成果為開發高性能弛豫鐵電體材料提供了新原理和新方法。據悉，這是任曉兵教授團隊以西安交大為第一作者單位及通訊作者單位在《物理評論快報》發表的第8篇文章。  

文中圖片由提供楊陽

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