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中美团队Nature:具有超高压电效应的透明铁电单晶

2020-05-07

2020年1月16日,英国《自然》期刊在线发表了西安交通大学的李飞教授、徐卓教授以及美国宾州州立大学的陈龙庆教授等人的合作成果:“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity”(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1891-y)。他们通过交流极化的方法制备出了同时具高压电和电光效应,以及接近理论极限透光性的弛豫铁电单晶。

铁电材料是一种能够实现电-声信号转换的智能材料,广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。然而,由于铁电体存在大量的畴壁和晶界,传统的高性能压电材料,如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷和工程畴结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)单晶材料,通常在可见光波段是不透明的。这一问题长期地阻碍了人们试图将可见光耦合到高性能压电器件中的设想。

a. 本工作所得到的透明高性能压电单晶材料照片;b. 单晶透光率实验数据

该团队利用交变电场来极化PMN-PT铁电晶体,从而完全消除了对光有散射作用的铁电畴壁,从而获得了兼具高压电系数(>2100 pC/N)、高电光系数(220 pm/V)和理论极限透光率的铁电晶体材料。在压电机理研究方面,基于相场模拟和原位实验表征,研究团队还发现,在PMN-PT晶体中,减小畴壁密度(或增大电畴尺寸)可使晶体压电和介电性能大幅增加,挑战了人们长期以来由于钛酸钡晶体研究工作而形成的高畴壁密度产生高压电效应的传统认识,为今后压电材料的设计提供了思路。

在本次工作中,研究团队首先通过相场模拟(采用商业软件Mu-PRO完成,http://mupro.co/contact/),研究了[001]取向的三方相PMN-PT晶体在受到交流和直流电场作用时,晶体中铁电畴的变化情况。如图1所示,未极化晶体包含了所有八种三方相铁电畴,其自发极化分别沿8个不同的<111>方向。当给晶体加载[001]方向直流电场时,其中四种极化方向沿[111_]、[1_11_]、[1_1_1_]和[[11_1_]的电畴将翻转到[111]、[11_1]、[1_1_1]、[1_11]方向。此时,晶体电畴结构变为一种层状结构,层与层之间由一系列平行于(001)晶面的109°畴壁分隔;且在每一层中又存在与{011}面基本平行的71°畴壁。在这些畴壁中,109°畴壁对晶体透光率没有影响,而71°畴壁对光线有散射作用,因而将影响晶体的透光性。令人感到意外的是,当晶体受到交流电场作用时,晶体中71°畴壁在逐渐消失,导致每一层中的铁电畴尺寸逐渐增大。这一模拟结果表明,利用交流电场来处理[001]取向的弛豫铁电单晶有望大幅提高其透光性。

在相场模拟基础上,研究团队对三方相PMN-28PT单晶开展了深入的实验研究工作,首先证实了交流电场确实有助于消除晶体中的71°畴壁。进而,课题组优化了单晶的表面处理和极化工艺,几乎完全消除了晶体中的71o畴壁,获得了具有接近完美透光性的高性能弛豫铁电单晶材料。同时,相比于传统方法极化的单晶,由于71°畴壁的消失,该晶体的压电系数提高了超过30%,双折射率提高了一个数量级。

最后,研究团队利用相场模拟方法,计算了不同的71°畴壁密度与压电性能的关系。模拟结果显示,随着71°畴宽度的增大,晶体的自由能曲线逐渐平缓化,导致了介电/压电性能提升,这与PMN-28PT晶体的实验结果完全吻合。

 

(来源:中国科学院福建物质结构研究所

 

 



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