高性能压电材料是研制新一代智能感知器件和精密驱动器件的关键。其中，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷被认为是未来替代铅基压电材料的有力候选者。然而，传统无铅压电陶瓷材料存在电致应变较小（通常低于0.3%）和温度稳定性较差等问题，限制了其实际应用。近年来研究发现，缺陷偶极子对压电陶瓷的电学性能具有显著影响：一方面，缺陷偶极子可以通过钉扎效应抑制畴壁运动；另一方面，缺陷偶极子在电场下会产生显著响应。通过缺陷偶极子的拉伸实现超高的电致应变在近年来被广泛报道。然而，关于缺陷偶极子的形成机制及其与压电材料性能的关系仍未完全阐明；通过缺陷偶极子的设计，开发高性能的压电材料已成为研究的热点之一。
近期，中山大学戴叶婧教授/李斌教授团队在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia等国际知名期刊连续发文，通过缺陷偶极子的设计，实现了缺陷偶极子与铁电畴及自发极化之间的强相互作用。通过采用传统受主掺杂或空位缺陷等设计工艺，成功获得了压电陶瓷在电场下的超高机电响应，同时直接观测到了新颖的电致弯曲效应，并揭示了其产生机制。该系列研究工作为缺陷偶极子调控高性能压电材料提供了有效的策略，同时建立了陶瓷表面层中缺陷偶极子对电致弯曲效应的作用模型，为未来智能传感器和精密驱动器件的研发奠定了理论和实验基础。（论文信息：Phys. Rev. Lett. 133 (2024) 186802；Sci. Adv. 10 (2024) eadn2829；Acta Mater. 281 (2024) 120344）
主要研究进展包括：
1. 缺陷偶极子的取向优化策略
针对缺陷偶极子在形成过程中取向偏离极化方向的问题，研究团队提出“极化-老化-再极化”的策略，使缺陷偶极子的取向与极化方向尽可能一致，从而显著增强了其对铁电畴的钉扎效应。在CuO掺杂的铌酸钾钠（KNN）基陶瓷材料中，这一策略实现了11.6 kV cm⁻¹的巨大内偏电场（Ei）和2074的高机械品质因数（Qm），同时保持了压电系数（d33）的稳定性。更重要的是，该材料在室温至100 °C范围内表现出良好的温度稳定性，表明该策略有助于提升高功率压电器件的热稳定性。
图1 缺陷偶极子在KNN陶瓷中极化-老化-再极化策略的示意图。
2. 自发极化与缺陷偶极子相互作用的强化机制
为增强缺陷偶极子与自发极化之间的相互作用，团队设计了<110>取向的缺陷偶极子。研究表明，由于<110>方向与正交相KNN陶瓷中的自发极化平行，该取向的缺陷偶极子与自发极化之间的相互作用力是传统<001>取向的缺陷偶极子的3倍。这一设计不仅提高了压电陶瓷的电致应变，还发现缺陷偶极子引起的超高表观应变存在明显的厚度效应，为理解缺陷偶极子在材料中的分布及其在电场下的响应行为提供了新的启示。
图2 <110>取向缺陷偶极子的设计策略。
3. 电致弯曲效应的发现和机
在上述研究的基础上，为了探讨表观电致应变的厚度依赖性，研究团队创新性地引入激光扫描测振技术，首次直接观察到了薄KNN陶瓷样品在电场下的实时形变行为。令人惊讶的是，陶瓷在电场下并未出现传统的均匀拉伸变形，而是表现出一种新颖的弯曲变形。在交变电场下，陶瓷显示出不同方向的交替弯曲（可控凸-凹变形）。通过分析，研究团队发现缺陷偶极子在陶瓷表面层更易于形成，且取向朝内的缺陷偶极子具有较低的缺陷形成能，趋向于朝向陶瓷内部。因此，表面层缺陷偶极子在外电场下产生的不对称响应所造成的应力差异，从而引发了陶瓷的弯曲。这种弯曲变形是所观察到的大表观应变的原因，揭示了超高电致应变的物理本质。
电致弯曲效应是继压电效应、铁电效应、挠曲电效应等物理效应之后，又一新的力-电耦合现象，同时也是对凝聚态物理以及电介质物理领域的重要补充与完善，有望在智能感知和柔性电子器件领域产生重要应用。
图3 电致弯曲效应及其机理分析示意图。
上述工作相继发表在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia，我院博士研究生田硕为论文第一作者，戴叶婧教授和李斌教授为论文通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金、国家高层次人才特殊支持计划、国家重点研发计划、广东省杰出青年科学基金等项目的资助。
本文来自：中山大学。