第一作者：Fei Li, MatthewJ. Cabral

通讯作者：Fei Li, Shujun Zhang

通讯单位：西安交通大学，宾州州立大学

研究亮点：

1. 通过Sm原子掺杂，使PMN-PT的压电系数提高了2倍，达到~4000pC/N，掺杂后晶体的压电性质更均匀。

2. 探究了增强压电性能的纳米尺度异质化机理。

压电材料是指在压力作用下产生电信号，或者在电场作用下发生机械形变的材料，1880年由居里兄弟发现。压电材料可以实现机械能和电能之间的转换，因而在传感、电信，医学成像和超声设备等诸多领域具有广泛的工业和商业应用。在水下声纳和医学超声成像仪器的等先进的压电器件中，钙钛矿氧化物晶体Pb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃-PbTiO₃（PMN-PT）被较多的使用，过去20年里，钙钛矿压电材料的特性和制造得到了诸多进展。

图1. 熊仁根Science：钙钛矿分子铁电体重大突破

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.

在实际应用中，压电材料面临的一个关键挑战在于，制备具有均匀特性的单晶压电材料实属不易，因此在制备过程中大部分不良晶体被丢弃，造成了大量浪费和成本增加。

有鉴于此，西安交通大学Fei Li和宾州州立大学Shujun Zhang等多团队合作，发展了一种具有均匀的超高压电性能的单晶压电材料：Sm掺杂的Pb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃-PbTiO₃单晶。仅仅通过在母体PMN-PT晶体中每1000个原子中添加约1个Sm原子，PMN-PT的压电系数就增加了2倍（至~4000pC/N），而且掺杂后晶体的压电性质更均匀。

与其他铁电材料一样，晶格晶胞中离子的不对称排列会产生偶极矩，从而导致PMN-PT晶体中存在许多均匀电极化的区域。压电系数大致与平均极化和平均介电常数的乘积成正比。生长的PMN-PT晶体包含许多这样的畴，并且所有优选的极化方向都均匀显示，因此，平均极化和整体压电性能接近于零。沿着优选方向施加强电场的极化过程可以将整个晶体转变为单畴状态，使整体极化最大化，但同时也导致介电常数降低。利用倾斜极化场则可以得到更好的结果，该倾斜极化场是在晶格优选的方向之间的方向上施加的场，相对于单畴状态，所得到的多畴状态平均极化略小，但介电常数高得多，约为真空介电常数的5000倍。

作者认为，掺杂Sm后，PMN-PT的压电性能提高是因为其高介电常数的功劳——真空介电常数的~12,000倍。这种增加的介电常数不能归因于畴边界运动，因为这种运动会增强能量损耗。相反，由倾斜场极化的材料平均极化是不均匀的。通过合适的纳米级偏振不均匀性进一步促进这种偏振旋转。引起这种异质性的确切机制尚不清楚，但主要包括纳米级体积域的形成，纳米级厚度的不规则片状区域，或域内自身的不同极化和介电常数的纳米级气泡。

为了探究PMN-PT的结构异质性，作者使用高分辨透射电镜，在大约含有40,000个原子，20×20×20个单元晶胞的范围内进行表征。发现该区域中仅存在50个Sm原子，但是取代了Pb原子的位置。而且，在掺杂Sm的样品中，原子柱距离更大，表明了应变的纳米尺度异质性。

至于这些纳米级应变波动是由球状极性纳米区域引起还是由具有锯齿形极化链的不规则层状区域引起，原因并不清楚。不过，结果表明，最佳畴尺寸为3-4个晶胞，其等同于掺杂晶体中Sm原子的平均距离。

总之，这项成果表明了微量稀土元素掺杂可增强纳米尺度的非均匀性，从而极大提高PMN-PT晶体的压电和介电性能，为具有机械能和电能转换功能的压电器件的开发和设计带来了全新的思路。

参考文献：

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. Jiří Hlinka. Doubling uppiezoelectric performance. Science 2019, 364, 228-229.

https://science.sciencemag.org/content/364/6437/228