新加坡科学技术研究院最新Nature：通过竞争性铁电和反铁电序实现超高机电响应

虚谷纳物 4周前 (09-29) 1102浏览

【一】、科学背景

机电耦合材料能够实现机械能和电能之间的可逆转换，这在无线通信、声学换能器和超声成像等领域中非常重要。高机电响应通常在具有强结构不稳定性的材料中发现。传统的压电材料，如铅基压电材料，虽然具有较高的机电响应，但存在环境和健康问题。具体表现如下：（1）结构不稳定性的利用；（2）形态相界（MPB）的局限性（3）纳米尺度结构异质性的控制（4）新型压电材料的设计（5）相变诱导的应变。通过解决这些问题，开发出一种新型的压电材料，它不仅具有超高的机电响应，而且具有环境友好和可加工性等优点。这对于推动压电材料在各种高科技应用中的发展具有重要意义。

【二】、科学创新

近日，来自新加坡科学技术研究局材料研究与工程研究所的Yeng Ming Lam 和 Huajun Liu教授等人通过在钠铌酸盐薄膜中引入竞争性反铁电和铁电序来实现超高机电响应。在相图和理论计算的指导下，设计了反铁电正交晶系和铁电三斜晶系相在钠铌酸盐薄膜中的共存。这些薄膜由于电场诱导的反铁电-铁电相变，显示出超过5000 pm V-1的有效压电系数。本研究为设计和利用反铁电材料制作机电设备提供了一种通用方法。相关成果以“Ultrahigh electromechanical response from competing ferroic orders”为题发表在Nature期刊上。

图1 提高薄膜机电响应的策略；a. 每种设计策略的代表性薄膜的有效压电系数（见扩展数据表1）； b. 随着温度升高，NNO从铁电N相（三斜晶系R3c）向反铁电P相（正交晶系Pbcm）发生相变。在12 K至173 K的温度范围内，块体NNO中FE和AFE相共存；c. N相和P相NNO晶格常数（在伪立方晶格中）的自由能函数。© 2024 Nature

图2 200纳米厚的NNO薄膜的晶体结构和表面形貌；a-c. 利用同步辐射X射线进行的(113)倒空间映射（a），衍射图谱（b），以及通过H/K/L扫描的7/4衍射峰（c）；d. 使用原子力显微镜观察NNO薄膜的表面形貌；e. 低放大倍数的横截面明场透射电子显微镜（TEM）图像（顶部）和NNO/Nb-STO的 (111)异质结构相；f,g. P相（f）和N相（g）的高分辨率TEM图像。插图为快速傅里叶变换（FFT）图案。© 2024 Nature

图3 200纳米厚的NNO薄膜的反铁电和铁电行为；a. NNO薄膜的电极化曲线随电场变化而变化，插图为剩余电极化作为施加电场的函数；b. NNO薄膜的动态铁电滞回线和相应的开关电流曲线；c. 基于Landau理论模拟了FE和AFE共存（比例为1:3）的铁电滞回线；d-f.压电响应力显微镜（PFM）测量的形貌（d）、振幅（e）和相位（f）图像。© 2024 Nature

图4 200纳米厚NNO薄膜的机电响应以及AFE-FE相变期间畴动态的模拟；a. 在1 kHz频率下，1 V交流驱动幅度下测量的NNO薄膜表面位移的三维映射；b. 在1 kHz时，NNO薄膜的有效压电系数和应变随电场变化的情况；c,d. 基于相场模拟，NNO薄膜在不同电场下应变变化（c）和畴转换及相界运动（d）的演变。© 2024 Nature

【三】、科学启示

本文的创新点为未来的研究和应用提供了以下启示：

1.新型材料设计：通过相变机制来设计新型压电材料，可能会发现更多具有优异性能的材料。

2.相界工程：通过精确控制材料的相界，可以优化材料的性能，这对于高性能压电、热电和铁电材料的开发具有重要意义。

  1. 薄膜技术：薄膜技术在实现高性能电子器件中扮演着重要角色，本文的研究为薄膜材料的制备和应用提供了新的途径。

4.跨学科研究：结合材料科学、物理学和工程学的跨学科研究方法，可以更全面地理解和利用材料的性能。

  1. 实验与模拟的结合：实验观察与理论模拟的结合是理解复杂材料现象和指导新材料设计的重要手段。

 

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07917-9

本文由虚谷纳物供稿

 

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