第一作者：Fei Li, MatthewJ. Cabral
通訊作者：Fei Li, Shujun Zhang
通訊單位：西安交通大學，賓州州立大學
研究亮點：
1. 通過Sm原子摻雜，使PMN-PT的壓電系數提高了2倍，達到~4000pC/N，摻雜后晶體的壓電性質更均勻。
2. 探究了增強壓電性能的納米尺度異質化機理。
壓電材料是指在壓力作用下產生電信號，或者在電場作用下發生機械形變的材料，1880年由居里兄弟發現。壓電材料可以實現機械能和電能之間的轉換，因而在傳感、電信，醫學成像和超聲設備等諸多領域具有廣泛的工業和商業應用。在水下聲納和醫學超聲成像儀器的等先進的壓電器件中，鈣鈦礦氧化物晶體Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3（PMN-PT）被較多的使用，過去20年里，鈣鈦礦壓電材料的特性和制造得到了諸多進展。
圖1. 熊仁根Science：鈣鈦礦分子鐵電體重大突破
Wei-QiangLiao,Dewei Zhao, Yuan-Yuan Tang, Yi Zhang, Ren-Gen Xiong et al. Amolecularperovskite solid solution with piezoelectricity stronger than leadzirconatetitanate. Science 2019, 363, 1206-1210.
在實際應用中，壓電材料面臨的一個關鍵挑戰在于，制備具有均勻特性的單晶壓電材料實屬不易，因此在制備過程中大部分不良晶體被丟棄，造成了大量浪費和成本增加。
有鑒于此，西安交通大學Fei Li和賓州州立大學Shujun Zhang等多團隊合作，發展了一種具有均勻的超高壓電性能的單晶壓電材料：Sm摻雜的Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3單晶。僅僅通過在母體PMN-PT晶體中每1000個原子中添加約1個Sm原子，PMN-PT的壓電系數就增加了2倍（至~4000pC/N），而且摻雜后晶體的壓電性質更均勻。
與其他鐵電材料一樣，晶格晶胞中離子的不對稱排列會產生偶極矩，從而導致PMN-PT晶體中存在許多均勻電極化的區域。壓電系數大致與平均極化和平均介電常數的乘積成正比。生長的PMN-PT晶體包含許多這樣的疇，并且所有優選的極化方向都均勻顯示，因此，平均極化和整體壓電性能接近于零。沿著優選方向施加強電場的極化過程可以將整個晶體轉變為單疇狀態，使整體極化最大化，但同時也導致介電常數降低。利用傾斜極化場則可以得到更好的結果，該傾斜極化場是在晶格優選的方向之間的方向上施加的場，相對于單疇狀態，所得到的多疇狀態平均極化略小，但介電常數高得多，約為真空介電常數的5000倍。
作者認為，摻雜Sm后，PMN-PT的壓電性能提高是因為其高介電常數的功勞——真空介電常數的~12,000倍。這種增加的介電常數不能歸因于疇邊界運動，因為這種運動會增強能量損耗。相反，由傾斜場極化的材料平均極化是不均勻的。通過合適的納米級偏振不均勻性進一步促進這種偏振旋轉。引起這種異質性的確切機制尚不清楚，但主要包括納米級體積域的形成，納米級厚度的不規則片狀區域，或域內自身的不同極化和介電常數的納米級氣泡。
為了探究PMN-PT的結構異質性，作者使用高分辨透射電鏡，在大約含有40,000個原子，20×20×20個單元晶胞的范圍內進行表征。發現該區域中僅存在50個Sm原子，但是取代了Pb原子的位置。而且，在摻雜Sm的樣品中，原子柱距離更大，表明了應變的納米尺度異質性。
至于這些納米級應變波動是由球狀極性納米區域引起還是由具有鋸齒形極化鏈的不規則層狀區域引起，原因并不清楚。不過，結果表明，最佳疇尺寸為3-4個晶胞，其等同于摻雜晶體中Sm原子的平均距離。
總之，這項成果表明了微量稀土元素摻雜可增強納米尺度的非均勻性，從而極大提高PMN-PT晶體的壓電和介電性能，為具有機械能和電能轉換功能的壓電器件的開發和設計帶來了全新的思路。
參考文獻：
1. Fei Li , Matthew J. Cabral, ShujunZhang et al. Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 singlecrystals. Science 2019, 364, 264-268.
https://science.sciencemag.org/content/364/6437/264
2. Ji?í Hlinka. Doubling uppiezoelectric performance. Science 2019, 364, 228-229.
https://science.sciencemag.org/content/364/6437/228
