中大新聞網訊（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動器件的關鍵。其中，鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷被認為是未來替代鉛基壓電材料的有力候選者。然而，傳統無鉛壓電陶瓷材料存在電致應變較小（通常低于0.3%）和溫度穩定性較差等問題，限制了其實際應用。近年來研究發現，缺陷偶極子對壓電陶瓷的電學性能具有顯著影響：一方面，缺陷偶極子可以通過釘扎效應抑制疇壁運動；另一方面，缺陷偶極子在電場下會產生顯著響應。通過缺陷偶極子的拉伸實現超高的電致應變在近年來被廣泛報道。然而，關于缺陷偶極子的形成機制及其與壓電材料性能的關系仍未完全闡明；通過缺陷偶極子的設計，開發高性能的壓電材料已成為研究的熱點之一。
近期，材料學院戴葉婧教授、李斌教授團隊在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia等國際知名期刊連續發文，通過缺陷偶極子的設計，實現了缺陷偶極子與鐵電疇及自發極化之間的強相互作用。通過采用傳統受主摻雜或空位缺陷等設計工藝，成功獲得了壓電陶瓷在電場下的超高機電響應，同時直接觀測到了新穎的電致彎曲效應，并揭示了其產生機制。該系列研究工作為缺陷偶極子調控高性能壓電材料提供了有效的策略，同時建立了陶瓷表面層中缺陷偶極子對電致彎曲效應的作用模型，為未來智能傳感器和精密驅動器件的研發奠定了理論和實驗基礎。
缺陷偶極子的取向優化策略
針對缺陷偶極子在形成過程中取向偏離極化方向的問題，研究團隊提出“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，從而顯著增強了其對鐵電疇的釘扎效應。在CuO摻雜的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷材料中，這一策略實現了11.6 kV cm?1的巨大內偏電場（Ei）和2074的高機械品質因數（Qm），同時保持了壓電系數（d33）的穩定性。更重要的是，該材料在室溫至100 °C范圍內表現出良好的溫度穩定性，表明該策略有助于提升高功率壓電器件的熱穩定性。
自發極化與缺陷偶極子相互作用的強化機制
為增強缺陷偶極子與自發極化之間的相互作用，團隊設計了<110>取向的缺陷偶極子。研究表明，由于<110>方向與正交相KNN陶瓷中的自發極化平行，該取向的缺陷偶極子與自發極化之間的相互作用力是傳統<001>取向的缺陷偶極子的3倍。這一設計不僅提高了壓電陶瓷的電致應變，還發現缺陷偶極子引起的超高表觀應變存在明顯的厚度效應，為理解缺陷偶極子在材料中的分布及其在電場下的響應行為提供了新的啟示。
電致彎曲效應的發現和機制
在上述研究的基礎上，為了探討表觀電致應變的厚度依賴性，研究團隊創新性地引入激光掃描測振技術，首次直接觀察到了薄KNN陶瓷樣品在電場下的實時形變行為。令人驚訝的是，陶瓷在電場下并未出現傳統的均勻拉伸變形，而是表現出一種新穎的彎曲變形。在交變電場下，陶瓷顯示出不同方向的交替彎曲（可控凸-凹變形）。通過分析，研究團隊發現缺陷偶極子在陶瓷表面層更易于形成，且取向朝內的缺陷偶極子具有較低的缺陷形成能，趨向于朝向陶瓷內部。因此，表面層缺陷偶極子在外電場下產生的不對稱響應所造成的應力差異，從而引發了陶瓷的彎曲。這種彎曲變形是所觀察到的大表觀應變的原因，揭示了超高電致應變的物理本質。
電致彎曲效應是繼壓電效應、鐵電效應、撓曲電效應等物理效應之后，又一新的力-電耦合現象，同時也是對凝聚態物理以及電介質物理領域的重要補充與完善，有望在智能感知和柔性電子器件領域產生重要應用。
上述工作相繼發表在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia，材料學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。相關工作得到了國家自然科學基金、國家高層次人才特殊支持計劃、國家重點研發計劃、廣東省杰出青年科學基金等項目的資助。
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
