新加坡科學技術研究院最新Nature：通過競爭性鐵電和反鐵電序實現超高機電響應

虛谷納物 16小時前 175瀏覽

【一】、科學背景

機電耦合材料能夠實現機械能和電能之間的可逆轉換，這在無線通信、聲學換能器和超聲成像等領域中非常重要。高機電響應通常在具有強結構不穩定性的材料中發現。傳統的壓電材料，如鉛基壓電材料，雖然具有較高的機電響應，但存在環境和健康問題。具體表現如下：（1）結構不穩定性的利用；（2）形態相界（MPB）的局限性（3）納米尺度結構異質性的控制（4）新型壓電材料的設計（5）相變誘導的應變。通過解決這些問題，開發出一種新型的壓電材料，它不僅具有超高的機電響應，而且具有環境友好和可加工性等優點。這對于推動壓電材料在各種高科技應用中的發展具有重要意義。

【二】、科學創新

近日，來自新加坡科學技術研究局材料研究與工程研究所的Yeng Ming Lam 和 Huajun Liu教授等人通過在鈉鈮酸鹽薄膜中引入競爭性反鐵電和鐵電序來實現超高機電響應。在相圖和理論計算的指導下，設計了反鐵電正交晶系和鐵電三斜晶系相在鈉鈮酸鹽薄膜中的共存。這些薄膜由于電場誘導的反鐵電-鐵電相變，顯示出超過5000 pm V-1的有效壓電系數。本研究為設計和利用反鐵電材料制作機電設備提供了一種通用方法。相關成果以“Ultrahigh electromechanical response from competing ferroic orders”為題發表在Nature期刊上。

圖1 提高薄膜機電響應的策略；a. 每種設計策略的代表性薄膜的有效壓電系數（見擴展數據表1）； b. 隨著溫度升高，NNO從鐵電N相（三斜晶系R3c）向反鐵電P相（正交晶系Pbcm）發生相變。在12 K至173 K的溫度范圍內，塊體NNO中FE和AFE相共存；c. N相和P相NNO晶格常數（在偽立方晶格中）的自由能函數。? 2024 Nature

圖2 200納米厚的NNO薄膜的晶體結構和表面形貌；a-c. 利用同步輻射X射線進行的(113)倒空間映射（a），衍射圖譜（b），以及通過H/K/L掃描的7/4衍射峰（c）；d. 使用原子力顯微鏡觀察NNO薄膜的表面形貌；e. 低放大倍數的橫截面明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像（頂部）和NNO/Nb-STO的 (111)異質結構相；f,g. P相（f）和N相（g）的高分辨率TEM圖像。插圖為快速傅里葉變換（FFT）圖案。? 2024 Nature

圖3 200納米厚的NNO薄膜的反鐵電和鐵電行為；a. NNO薄膜的電極化曲線隨電場變化而變化，插圖為剩余電極化作為施加電場的函數；b. NNO薄膜的動態鐵電滯回線和相應的開關電流曲線；c. 基于Landau理論模擬了FE和AFE共存（比例為1:3）的鐵電滯回線；d-f.壓電響應力顯微鏡（PFM）測量的形貌（d）、振幅（e）和相位（f）圖像。? 2024 Nature

圖4 200納米厚NNO薄膜的機電響應以及AFE-FE相變期間疇動態的模擬；a. 在1 kHz頻率下，1 V交流驅動幅度下測量的NNO薄膜表面位移的三維映射；b. 在1 kHz時，NNO薄膜的有效壓電系數和應變隨電場變化的情況；c,d. 基于相場模擬，NNO薄膜在不同電場下應變變化（c）和疇轉換及相界運動（d）的演變。? 2024 Nature

【三】、科學啟示

本文的創新點為未來的研究和應用提供了以下啟示：

1.新型材料設計：通過相變機制來設計新型壓電材料，可能會發現更多具有優異性能的材料。

2.相界工程：通過精確控制材料的相界，可以優化材料的性能，這對于高性能壓電、熱電和鐵電材料的開發具有重要意義。

  1. 薄膜技術：薄膜技術在實現高性能電子器件中扮演著重要角色，本文的研究為薄膜材料的制備和應用提供了新的途徑。

4.跨學科研究：結合材料科學、物理學和工程學的跨學科研究方法，可以更全面地理解和利用材料的性能。

  1. 實驗與模擬的結合：實驗觀察與理論模擬的結合是理解復雜材料現象和指導新材料設計的重要手段。

 

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07917-9

本文由虛谷納物供稿

 

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