

機械能與電能的高效雙向轉換能力,使壓電材料成為下一代智能系統的核心,廣泛應用于納米發(fā)電機、醫療微型設備、先進(jìn)機電傳感器等領(lǐng)域,并推動(dòng)壓電光催化染料降解、新型能量采集等創(chuàng )新技術(shù)發(fā)展。壓電效應本質(zhì)源于材料極化與機械應力的耦合響應,而疇結構(如鐵電體中的拓撲疇)正是極化的微觀(guān)載體。近年來(lái),鐵電薄膜中的納米拓撲疇(如斯格明子(skyrmions)、氣泡疇(bubble domains)等)因其獨特的物理性質(zhì)成為研究熱點(diǎn)。
同濟大學(xué)翟繼衛團隊聯(lián)合中科院上海硅酸鹽研究所曾華榮團隊、西安交通大學(xué)何利強團隊,揭示了Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基壓電薄膜中拓撲氣泡域的形成機制。通過(guò)實(shí)驗與模擬相結合,發(fā)現晶格畸變與氧八面體扭轉的強耦合會(huì )顯著(zhù)提升局部結構不均勻性,進(jìn)而誘導氣泡疇密度增加。這類(lèi)氣泡疇具有低角度疇壁(<5°)和高電場(chǎng)響應特性,可有效促進(jìn)極化旋轉,從而提升壓電性能。該研究不僅建立了拓撲疇構效關(guān)系,更為基于疇工程的高性能納米電子器件設計提供了新范式。
研究成果以“Formation Mechanism of Topological Bubble Domains in Bi0.5Na0.5TiO3?Based Piezoelectric Films”為題發(fā)表于《ACS NANO》。論文第一作者為同濟大學(xué)博士生劉陽(yáng),研究獲國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃支持。

離子摻雜在壓電薄膜中誘導氣泡疇實(shí)現壓電性能增強的示意圖