弛豫鐵電單晶1997年發(fā)現(xiàn)以來，被認(rèn)為是壓電陶瓷問世半個多世紀(jì)以來壓電材料取得的革命性突破，大幅度提升了壓電材料的性能和醫(yī)療超聲的成像分辨率。然而，隨著人們對醫(yī)療超聲系統(tǒng)精度需求的不斷提升，如何進(jìn)一步提高弛豫鐵電單晶的壓電和介電性能，成為這20多年來，國內(nèi)外科學(xué)家廣泛關(guān)注的重要科學(xué)問題。近日，西安交大李飛教授和徐卓教授及其合作者在弛豫鐵電單晶材料高性能化研究方面取得了重大突破，其研究成果于2019年4月19日在國際權(quán)威期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

西安交大研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、美國北卡州立大學(xué)等單位合作，設(shè)計并生長了釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶，成功將“增強的局域結(jié)構(gòu)無序性”、“準(zhǔn)同型相界”和“工程疇結(jié)構(gòu)”三種高壓電效應(yīng)的起因有機結(jié)合，大幅度提高了弛豫鐵電單晶的壓電和介電性能，壓電系數(shù)最高達(dá)4000皮庫倫每牛頓以上，介電常數(shù)達(dá)12000以上，較之非摻釤的同組分的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶的性能提高約一倍；同時，利用釤元素在晶體生長過程中的分凝特點，優(yōu)化了單晶棒性能的均勻性（如圖所示），為高頻醫(yī)療超聲探頭和高精度與大位移壓電驅(qū)動器奠定了新的壓電單晶材料基礎(chǔ)?；诘谝恍栽碛嬎?，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體相變溫度下降很可能是由于釤摻入而隨之產(chǎn)生的鉛空位所致。這一發(fā)現(xiàn)將為今后進(jìn)一步優(yōu)化弛豫鐵電單晶的綜合性能提供理論參考。

圖A Sm-PMN-PT晶體照片 圖B 晶體壓電系數(shù)和介電常數(shù) 圖C 晶體電致應(yīng)變測試曲線

李飛教授為該文章的第一作者和通訊作者，北卡州立大學(xué)馬修·卡布拉（Matthew J. Cabral）博士為文章共同第一作者，澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授為文章的共同通訊作者。論文作者還包括西安交大徐卓教授，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授、托馬斯·施羅特（Tom Shrout）教授以及美國阿肯色大學(xué)許彬博士等。

近10年來，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子陶瓷與器件教育部重點實驗室、國際電介質(zhì)研究中心徐卓教授、李飛教授團隊圍繞弛豫鐵電單晶高壓電性的起源與性能優(yōu)化開展了大量的研究工作。2016年，研究團隊在介觀尺度上揭示了弛豫鐵電單晶高壓電效應(yīng)的機理（自然-通訊, 7, 13807，被ESI數(shù)據(jù)庫收錄為高被引文章）。2018年，基于對弛豫鐵電單晶壓電機理的深刻認(rèn)識，研究團隊提出了通過增強局域結(jié)構(gòu)無序性來進(jìn)一步提升鐵電材料壓電性能的理論方法，并在稀土元素釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料中得到了實驗驗證（自然-材料, 17, 349，被ESI數(shù)據(jù)庫收錄為熱點文章），這些為近期發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的文章奠定了重要的理論和實驗基礎(chǔ)。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、111引智計劃等項目的支持。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/364/6437/264