1月16日,英國《自然》期刊在線(xiàn)發(fā)表了西安交大壓電單晶研究團隊的最新學(xué)術(shù)成果:“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity(具有超高壓電效應的透明鐵電單晶)”。
鐵電材料是一種能夠實(shí)現電-聲信號轉換的智能材料,廣泛應用于超聲、水聲、電子、自控、機械等諸多領(lǐng)域。然而,由于鐵電體存在大量的疇壁和晶界,傳統的高性能壓電材料,如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷和工程疇結構的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)單晶材料,通常在可見(jiàn)光波段是不透明的。這一問(wèn)題長(cháng)期地阻礙了人們試圖將可見(jiàn)光耦合到高性能壓電器件中的設想。
西安交大研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位合作,利用交變電場(chǎng)來(lái)極化PMN-PT鐵電晶體,從而完全消除了對光有散射作用的鐵電疇壁,從而獲得了兼具高壓電系數(>2100 pC/N)、高電光系數(220 pm/V)和理論極限透光率的鐵電晶體材料。這項研究工作所獲得的透明壓電晶體將有效地推動(dòng)聲-光-電多功能耦合器件的設計與開(kāi)發(fā),例如透明觸覺(jué)傳感器、具有能量收集功能的透明壓電觸摸屏、用于光聲成像的高性能透明超聲換能器等。此外,在壓電機理研究方面,基于相場(chǎng)模擬和原位實(shí)驗表征,研究團隊還發(fā)現,在PMN-PT晶體中,減小疇壁密度(或增大電疇尺寸)可使晶體壓電和介電性能大幅增加,挑戰了人們長(cháng)期以來(lái)由于鈦酸鋇晶體研究工作而形成的高疇壁密度產(chǎn)生高壓電效應的傳統認識,為今后壓電材料的設計提供了思路。
該論文第一作者包括西安交大電信學(xué)部邱超銳博士生、張楠教授和美國賓州州立大學(xué)王博博士。西安交大李飛教授和徐卓教授及美國賓州州立大學(xué)陳龍慶教授為論文通訊作者。參與本項工作的還包括澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授、美國賓州州立大學(xué)Tom Shrout教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)田浩教授等。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部111引智計劃、教育部聯(lián)合基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃和中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。