高性能壓電材料是研制新一代智能感知器件和精密驅(qū)動器件的關(guān)鍵。其中，鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷被認(rèn)為是未來替代鉛基壓電材料的有力候選者。然而，傳統(tǒng)無鉛壓電陶瓷材料存在電致應(yīng)變較小(通常低于0.3%)和溫度穩(wěn)定性較差等問題，限制了其實際應(yīng)用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，缺陷偶極子對壓電陶瓷的電學(xué)性能具有顯著影響：一方面，缺陷偶極子可以通過釘扎效應(yīng)抑制疇壁運動；另一方面，缺陷偶極子在電場下會產(chǎn)生顯著響應(yīng)。通過缺陷偶極子的拉伸實現(xiàn)超高的電致應(yīng)變在近年來被廣泛報道。然而，關(guān)于缺陷偶極子的形成機制及其與壓電材料性能的關(guān)系仍未完全闡明；通過缺陷偶極子的設(shè)計，開發(fā)高性能的壓電材料已成為研究的熱點之一。
 

　　近期，材料學(xué)院戴葉婧教授、李斌教授團隊在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia等國際知名期刊連續(xù)發(fā)文，通過缺陷偶極子的設(shè)計，實現(xiàn)了缺陷偶極子與鐵電疇及自發(fā)極化之間的強相互作用。通過采用傳統(tǒng)受主摻雜或空位缺陷等設(shè)計工藝，成功獲得了壓電陶瓷在電場下的超高機電響應(yīng)，同時直接觀測到了新穎的電致彎曲效應(yīng)，并揭示了其產(chǎn)生機制。該系列研究工作為缺陷偶極子調(diào)控高性能壓電材料提供了有效的策略，同時建立了陶瓷表面層中缺陷偶極子對電致彎曲效應(yīng)的作用模型，為未來智能傳感器和精密驅(qū)動器件的研發(fā)奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。
 

　　缺陷偶極子的取向優(yōu)化策略
 

　　針對缺陷偶極子在形成過程中取向偏離極化方向的問題，研究團隊提出“極化-老化-再極化”的策略，使缺陷偶極子的取向與極化方向盡可能一致，從而顯著增強了其對鐵電疇的釘扎效應(yīng)。在CuO摻雜的鈮酸鉀鈉(KNN)基陶瓷材料中，這一策略實現(xiàn)了11.6 kV cm?1的巨大內(nèi)偏電場(Ei)和2074的高機械品質(zhì)因數(shù)(Qm)，同時保持了壓電系數(shù)(d33)的穩(wěn)定性。更重要的是，該材料在室溫至100 °C范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，表明該策略有助于提升高功率壓電器件的熱穩(wěn)定性。
 

        自發(fā)極化與缺陷偶極子相互作用的強化機制

 

　　為增強缺陷偶極子與自發(fā)極化之間的相互作用，團隊設(shè)計了<110>取向的缺陷偶極子。研究表明，由于<110>方向與正交相KNN陶瓷中的自發(fā)極化平行，該取向的缺陷偶極子與自發(fā)極化之間的相互作用力是傳統(tǒng)<001>取向的缺陷偶極子的3倍。這一設(shè)計不僅提高了壓電陶瓷的電致應(yīng)變，還發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子引起的超高表觀應(yīng)變存在明顯的厚度效應(yīng)，為理解缺陷偶極子在材料中的分布及其在電場下的響應(yīng)行為提供了新的啟示。
 

 

     
        電致彎曲效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和機制

 

　　在上述研究的基礎(chǔ)上，為了探討表觀電致應(yīng)變的厚度依賴性，研究團隊創(chuàng)新性地引入激光掃描測振技術(shù)，首次直接觀察到了薄KNN陶瓷樣品在電場下的實時形變行為。令人驚訝的是，陶瓷在電場下并未出現(xiàn)傳統(tǒng)的均勻拉伸變形，而是表現(xiàn)出一種新穎的彎曲變形。在交變電場下，陶瓷顯示出不同方向的交替彎曲(可控凸-凹變形)。通過分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子在陶瓷表面層更易于形成，且取向朝內(nèi)的缺陷偶極子具有較低的缺陷形成能，趨向于朝向陶瓷內(nèi)部。因此，表面層缺陷偶極子在外電場下產(chǎn)生的不對稱響應(yīng)所造成的應(yīng)力差異，從而引發(fā)了陶瓷的彎曲。這種彎曲變形是所觀察到的大表觀應(yīng)變的原因，揭示了超高電致應(yīng)變的物理本質(zhì)。
 

　　電致彎曲效應(yīng)是繼壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、撓曲電效應(yīng)等物理效應(yīng)之后，又一新的力-電耦合現(xiàn)象，同時也是對凝聚態(tài)物理以及電介質(zhì)物理領(lǐng)域的重要補充與完善，有望在智能感知和柔性電子器件領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。
 

　　上述工作相繼發(fā)表在Physical Review Letters、Science Advances和Acta Materialia，材料學(xué)院博士研究生田碩為論文第一作者，戴葉婧教授和李斌教授為論文通訊作者。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家高層次人才特殊支持計劃、國家重點研發(fā)計劃、廣東省杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。