最新Science：納米柱狀結構的氧化物薄膜中的巨大壓電效應

木文韜 3年前 (2020-07-17) 17641瀏覽

【引言】

實現高壓電性能的成熟策略是通過調整復雜的化學成分來構建多相邊界，如鋯鈦酸鉛（PZT）的準同型相界或鈮酸鉀鈉（KNN）的多態相邊界。在這些相邊界處，不同晶相之間的能量差異足夠小，熱力學能量分布平衡，導致低疇壁能量和鐵電疇的微型化。在納米尺度上的局部結構和化學異質性被認為是實現超高壓電系數的關鍵作用。然而，構造成分控制相邊界的策略通常涉及復雜的化學成分，由于大量摻雜導致居里溫度（TC）大幅降低，這些成分的溫度穩定性往往較差。諸如位錯和摻雜劑之類的缺陷對于開發具有某些性質的材料（如金屬的力學性能或半導體的電子性質）是很重要的。異相邊界是一種擴展的晶體學缺陷，其特征是晶體相鄰區域晶胞尺寸的部分錯位。當失調的偏移量為晶胞尺寸的一半時，它是被稱為反相邊界的特殊情況。雖然反相邊界的起源及其對性質的影響已經在金屬合金和半導體薄膜中得到了很好的研究，但在復雜氧化物中的研究卻很少，它們與功能性質的聯系仍然難以捉摸。

【成果簡介】

今日，在新加坡科技研究局（A*STAR）姚奎首席科學家和Liu Huajun（共同通訊作者）團隊等人帶領下，與新加坡國立大學、美國賓夕法尼亞州立大學和美國密蘇里大學合作，研究表明，納米柱區和規則的鈣鈦礦基體之間的異相邊界在無鉛、缺鈉的NaNbO₃薄膜中誘導了局部結構和極性異質性，并產生了巨大的壓電響應。團隊利用原子尺度的圖像揭示了尺寸為幾納米到幾十納米的垂直納米柱的形成。在理論計算的支持下，納米柱區周圍的結構畸變降低了晶體的對稱性，從四方結構變為單斜結構，促進了電場下的極化旋轉和域壁運動，大幅提升了壓電性能。在施加125kV/cm的電場下，在1kHz時，得到了巨大的有效壓電系數d_*33,f，f為~1098pm/V，是最好的PZT基薄膜的兩倍多，是最佳的KNN基薄膜的四倍。僅保持了簡單的三元素組成（Na、Nb和O）和約450℃的高居里溫度（TC）。在鈣鈦礦結構中形成具有納米柱的局部異質性，可以作為設計和優化各種功能材料的通用方法的基礎。相關成果以題為“Giant piezoelectricity in oxide thin films with nanopillar structure”發表在了Science。