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Science:稀土元素掺杂可大幅提升弛豫铁电单晶的压电性能
更新日期:2019-05-24  

压电材料既能对机械力响应可产生电信号,也能感应电场而发生机械形变,因此被认为是理想的传感器材料,特别是在水下声纳以及医学超声成像设备等领域均有重要应用。目前已知的压电性能最优异的无机非金属材料是以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3PMN-PT)为代表的一类钙钛矿氧化物晶体,其在二十多年前一经问世就以高压电、高应变、高机电耦合常数和高贮能密度的特点而受到极大的关注。以往主流的压电材料如钛锆酸铅(PZT)陶瓷的压电常数(d33)大都在500700 pC/N的范围,应变滞后(Strain hysteresis)超过30%,相比较而言,PMN-PT的压电常数d33可以达到1200-2500 pC/N的范围,应变滞后也小于5%。尽管在过去的二十年里,压电材料领域产出了大量的研究,然而相较于器件更新换代的速度,高性能压电体的发展依然显得过于缓慢。

近期,西安交通大学的李飞以及美国宾夕法尼亚州立大学的张树君(共同通讯作者)等人继大幅提升PMN-PT陶瓷材料的压电性能(Nat. Mater., 2018, 17,349-354)后,又在高性能PMN-PT弛豫铁电单晶的制备方面取得了重大进展。研究人员认为,提高PMN-PT陶瓷材料压电性能的方法在PMN-PT单晶上应该同样受用。因此,研究团队从局域结构无序性、准同型相界(MPB)以及工程畴结构等三个方面着手,成功提高了弛豫铁电单晶的压电性能。20190419日,相关成果以“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals”为题发表在Science上(DOI: 10.1126/science.aaw2781)。

A. Sm-PMN-PT晶体照片;图B. 晶体压电系数和介电常数;图C. 晶体电致应变测试曲线

该团队在坩埚下降法的基础上发展了一种钐掺杂PMN-PT单晶的制备方法,并且选择Sm0.01Pb0.985[(Mg1/3Nb2/3)0.70Ti0.30]O3作为组分材料,不仅能够维持斜方/单斜相,还能避免MPB区域出现压电性质较差的正方相边。在制备过程中,弛豫铁电体固溶体中组分元素的分离导致制备出的单晶的组成会沿着生长方向进行变化,电子探针显微分析(EPMA)的结果表明钐元素的掺杂不会影响单晶中其他元素的分离特性,即与PMN-PT晶体一样,钐掺杂单晶生长过程中四价钛离子的浓度变化趋势与(Mg1/3Nb2/3)4+的相反。更重要的是,三价钐离子浓度变化趋势也与钛离子相反,而这一现象对单晶的相变和性质变化有着重要的影响。这一制备得到的钐掺杂单晶材料Sm-PMN-PT,其压电常数可以高达4100 pC/N左右,介电常数也超过11000,并展示出高度的性能均一性,较之非掺钐的同组分的PMN-PT压电单晶的性能提高约一倍。同时,利用钐元素在晶体生长过程中的分凝特点,优化了单晶棒性能的均匀性,为高频医疗超声探头和高精度与大位移压电驱动器奠定了新的压电单晶材料基础。扫描透射电镜以及第一性原理计算进一步确定这一压电性能的提升来源于由钐离子掺杂引发的加强型局部结构无序性。

 通过这一工作,研究人员发现稀土元素掺杂是一种能够通过增强结构无序性来提高弛豫铁电晶体压电性能的通用策略。

   (摘自材料