【儀表網 研發(fā)快訊】兼具大響應幅值與高頻工作能力，是壓電材料面向超聲換能、精密驅動和微機電系統(tǒng)等應用的核心需求，也是長期存在的科學挑戰(zhàn)。近日，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室和材料學院孫軍院士、丁向東教授團隊武海軍教授課題組與清華大學李敬鋒教授團隊合作在《科學》(Science)發(fā)表題為《極化子-缺陷復合實現(xiàn)超高壓電性》(Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes)的研究成果。聯(lián)合研究團隊在鈮酸銀(AKN)基薄膜中構筑了可動態(tài)重構的點缺陷序構：極化子—缺陷(polaron-defect，PD)復合體序構，由此形成PD-AKN材料體系。在直流偏壓激活下，PD-AKN在1 kHz下的場致有效壓電系數(shù)達到7170 pm V-1，最大場致應變達到6.2%；頻率升至10 kHz后，場致有效壓電系數(shù)仍達到1090 pm V-1，展現(xiàn)出突出的千赫茲機電響應。
領域挑戰(zhàn)：壓電響應的幅值速度協(xié)同難題
壓電響應不僅取決于電場能夠誘導多大的極化和晶格形變，也取決于這些變化能否及時跟隨外場。本征電偶極具有較快的響應動力學，但在中等電場下，可逆極化調制及晶格位移的幅度通常有限。離子缺陷跨越多個晶胞重新分布，可以建立較大的缺陷極化和晶格形變，卻受到較高遷移能壘的制約，響應會隨工作頻率升高而顯著衰減。兩類機制由此形成響應幅值與工作頻率之間的明顯權衡，即“快而小”與“大而慢”。
PD-AKN的設計核心是利用快速躍遷的電子小極化子(即與局域晶格畸變耦合的局域電子態(tài))驅動缺陷極化變化，從而將“大缺陷極化”與“快電子動力學”結合起來，實現(xiàn)“快又大”的場致機電響應。與離子缺陷的長程遷移不同，這種電子介導的局域重構具有更快的動力學，同時保持對晶格的顯著調制能力，為協(xié)調響應幅值與工作頻率提供了新的設計范式。
極化子缺陷復合體的原子結構基礎
原子分辨掃描透射電子顯微鏡表明，PD-AKN中存在高密度的Nb反位缺陷單元，局域成分起伏與這些缺陷的形成和聚集相伴出現(xiàn)。多角度成像與變焦觀察進一步顯示，具有空間延展性的缺陷單元在薄膜中形成高密度三維互連網絡，為大量PD復合體提供結構載體。
局域應變分析顯示，反位缺陷周圍存在顯著的晶格拉伸與壓縮；原子分辨電子能量損失譜則觀察到缺陷附近Nb價態(tài)降低，這與電子小極化子的形成相符。電子態(tài)變化與晶格畸變在相近的納米尺度內逐漸衰減；結合譜學表征與理論計算，這些結果揭示了相對固定的反位缺陷、電子小極化子及其伴隨畸變之間的靜電—彈性耦合。
電場驅動的極化子缺陷復合體重構
未施加電場時，PD復合體的取向近似隨機，其局域極化在宏觀尺度上大部分相互抵消。施加直流電場后，極化子在相鄰晶格位置間定向躍遷，使PD復合體重構，從而產生較大的缺陷極化，并伴隨缺陷附近局域畸變各向異性增強；疊加交流電場后，極化子快速往復跳躍，使得數(shù)千赫茲頻率下仍能保持較大的極化調制，這一極化調制通過電致伸縮耦合轉化為宏觀應變。
研究顯示，隨直流偏壓升高，二次諧波信號的背景與局域熱點同步增強，偏振分析顯示PD復合體經歷“取向—延展”的兩階段演化；原位4D-STEM則直接記錄到缺陷富集區(qū)域的面外晶格膨脹逐步增強。SHG與原位4D-STEM分別從介觀極化狀態(tài)和納米尺度晶格結構兩個層面驗證了PD復合體的電場誘導演化，其在千赫茲頻率下的響應能力則取決于電子小極化子的躍遷動力學。
電子小極化子動力學支撐千赫茲超高響應
電輸運、寬頻介電譜和頻率弛豫分析得到約0.41 eV的有效激活能以及0.4至0.8 ms的室溫弛豫時間。這些參數(shù)處于電子小極化子躍遷的特征范圍；相較典型氧空位遷移過程，其較低的有效能壘和更短的弛豫時間為PD-AKN的千赫茲響應提供了動力學基礎。
在這一動力學基礎上，PD-AKN在1 kHz下的場致有效壓電系數(shù)達到7170 pm V-1，最大場致應變達到6.2%；在5 kHz和10 kHz下，場致有效壓電系數(shù)仍分別保持在2080 pm V-1和1090 pm V-1。循環(huán)測試顯示，PD-AKN在10 kHz下經歷超過4000萬次循環(huán)后，未觀察到明顯的時間依賴漂移。
研究團隊還在中心對稱、非鈣鈦礦結構的Nb摻雜TiO2-x薄膜中獲得了同類千赫茲機電響應，說明PD復合體設計可以跨越不同材料骨架，并不依賴傳統(tǒng)鐵電自發(fā)極化。這一結果進一步拓展了利用局域極化子、缺陷與晶格協(xié)同作用設計高性能機電材料的空間，也為塊體、陶瓷等材料形態(tài)提供了新的研究思路。
PD-AKN的千赫茲超高響應表明，電子態(tài)、晶格畸變和響應動力學可以在同一材料中協(xié)同設計。帶電缺陷在空間上錨定電子小極化子，外場調控其動態(tài)重構，局域電荷變化經由晶格耦合轉化為宏觀應變。這種極化子驅動的電荷—晶格協(xié)同響應，為在傳統(tǒng)鐵電機制之外構筑兼具大幅形變與快速動力學的機電材料提供了新的物理基礎和材料設計路徑。
西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一通訊作者單位。清華大學舒亮博士和西安交通大學彭古揚博士研究生為論文共同第一作者；西安交通大學武海軍教授、清華大學李千副教授、北京科技大學徐坤教授和清華大學李敬鋒教授為論文共同通訊作者，西安交通大學孫軍院士和丁向東教授為共同作者。該工作致謝西安交通大學分析測試中心的支持。
引用:西安交大金屬材料強度全國重點實驗室在壓電薄膜領域合作發(fā)表《科學》-西安交通大學【引用時間：2026年10月4日】
灵川县|
呼图壁县|
长子县|
河间市|
丰镇市|
垦利县|
舞钢市|
介休市|
时尚|
南昌县|
阿拉善盟|
冀州市|
凌源市|
江陵县|
和静县|
西丰县|
澳门|
巩留县|
大田县|
南澳县|
北碚区|
武宣县|
宁阳县|
龙门县|
祁东县|
武邑县|
万盛区|
永康市|
视频|
吴堡县|
大荔县|
湖口县|
丹东市|
玛沁县|
西平县|
扶风县|
隆子县|
兴安县|
深水埗区|
小金县|
禹州市|
所有評論僅代表網友意見，與本站立場無關。