中大新聞網(wǎng)訊（通訊員金明革）高性能壓電材料是研制新一代智能感知器件和精密驅(qū)動(dòng)器件的關(guān)鍵。其中，鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷被認(rèn)為是未來(lái)替代鉛基壓電材料的有力候選者。然而，傳統(tǒng)無(wú)鉛壓電陶瓷材料存在電致應(yīng)變較小（通常低于0.3%）和溫度穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，缺陷偶極子對(duì)壓電陶瓷的電學(xué)性能具有顯著影響：一方面，缺陷偶極子可以通過(guò)釘扎效應(yīng)抑制疇壁運(yùn)動(dòng)；另一方面，缺陷偶極子在電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生顯著響應(yīng)。通過(guò)缺陷偶極子的拉伸實(shí)現(xiàn)超高的電致應(yīng)變?cè)诮陙?lái)被廣泛報(bào)道。然而，關(guān)于缺陷偶極子的形成機(jī)制及其與壓電材料性能的關(guān)系仍未完全闡明；通過(guò)缺陷偶極子的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)高性能的壓電材料已成為研究的熱點(diǎn)之一。
近期，材料學(xué)院戴葉婧教授、李斌教授團(tuán)隊(duì)在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia等國(guó)際知名期刊連續(xù)發(fā)文，通過(guò)缺陷偶極子的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了缺陷偶極子與鐵電疇及自發(fā)極化之間的強(qiáng)相互作用。通過(guò)采用傳統(tǒng)受主摻雜或空位缺陷等設(shè)計(jì)工藝，成功獲得了壓電陶瓷在電場(chǎng)下的超高機(jī)電響應(yīng)，同時(shí)直接觀測(cè)到了新穎的電致彎曲效應(yīng)，并揭示了其產(chǎn)生機(jī)制。該系列研究工作為缺陷偶極子調(diào)控高性能壓電材料提供了有效的策略，同時(shí)建立了陶瓷表面層中缺陷偶極子對(duì)電致彎曲效應(yīng)的作用模型，為未來(lái)智能傳感器和精密驅(qū)動(dòng)器件的研發(fā)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
缺陷偶極子的取向優(yōu)化策略
針對(duì)缺陷偶極子在形成過(guò)程中取向偏離極化方向的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出“極化-老化-再極化”的策略，使缺陷偶極子的取向與極化方向盡可能一致，從而顯著增強(qiáng)了其對(duì)鐵電疇的釘扎效應(yīng)。在CuO摻雜的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷材料中，這一策略實(shí)現(xiàn)了11.6 kV cm?1的巨大內(nèi)偏電場(chǎng)（Ei）和2074的高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Qm），同時(shí)保持了壓電系數(shù)（d33）的穩(wěn)定性。更重要的是，該材料在室溫至100 °C范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，表明該策略有助于提升高功率壓電器件的熱穩(wěn)定性。
自發(fā)極化與缺陷偶極子相互作用的強(qiáng)化機(jī)制
為增強(qiáng)缺陷偶極子與自發(fā)極化之間的相互作用，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了<110>取向的缺陷偶極子。研究表明，由于<110>方向與正交相KNN陶瓷中的自發(fā)極化平行，該取向的缺陷偶極子與自發(fā)極化之間的相互作用力是傳統(tǒng)<001>取向的缺陷偶極子的3倍。這一設(shè)計(jì)不僅提高了壓電陶瓷的電致應(yīng)變，還發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子引起的超高表觀應(yīng)變存在明顯的厚度效應(yīng)，為理解缺陷偶極子在材料中的分布及其在電場(chǎng)下的響應(yīng)行為提供了新的啟示。
電致彎曲效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和機(jī)制
在上述研究的基礎(chǔ)上，為了探討表觀電致應(yīng)變的厚度依賴性，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入激光掃描測(cè)振技術(shù)，首次直接觀察到了薄KNN陶瓷樣品在電場(chǎng)下的實(shí)時(shí)形變行為。令人驚訝的是，陶瓷在電場(chǎng)下并未出現(xiàn)傳統(tǒng)的均勻拉伸變形，而是表現(xiàn)出一種新穎的彎曲變形。在交變電場(chǎng)下，陶瓷顯示出不同方向的交替彎曲（可控凸-凹變形）。通過(guò)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子在陶瓷表面層更易于形成，且取向朝內(nèi)的缺陷偶極子具有較低的缺陷形成能，趨向于朝向陶瓷內(nèi)部。因此，表面層缺陷偶極子在外電場(chǎng)下產(chǎn)生的不對(duì)稱響應(yīng)所造成的應(yīng)力差異，從而引發(fā)了陶瓷的彎曲。這種彎曲變形是所觀察到的大表觀應(yīng)變的原因，揭示了超高電致應(yīng)變的物理本質(zhì)。
電致彎曲效應(yīng)是繼壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、撓曲電效應(yīng)等物理效應(yīng)之后，又一新的力-電耦合現(xiàn)象，同時(shí)也是對(duì)凝聚態(tài)物理以及電介質(zhì)物理領(lǐng)域的重要補(bǔ)充與完善，有望在智能感知和柔性電子器件領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。
上述工作相繼發(fā)表在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia，材料學(xué)院博士研究生田碩為論文第一作者，戴葉婧教授和李斌教授為論文通訊作者。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：
Phys. Rev. Lett. 133 (2024) 186802
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.186802
Sci. Adv. 10 (2024) eadn2829
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn2829
Acta Mater. 281 (2024) 120344
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424006943
