纳米柱状结构的氧化物薄膜中的巨大压电效应学术资讯

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【引言】

实现高压电性能的成熟策略是通过调整复杂的化学成分来构建多相边界，如锆钛酸铅（PZT）的准同型相界或铌酸钾钠（KNN）的多态相边界。在这些相边界处，不同晶相之间的能量差异足够小，热力学能量分布平衡，导致低畴壁能量和铁电畴的微型化。在纳米尺度上的局部结构和化学异质性被认为是实现超高压电系数的关键作用。然而，构造成分控制相边界的策略通常涉及复杂的化学成分，由于大量掺杂导致居里温度（TC）大幅降低，这些成分的温度稳定性往往较差。诸如位错和掺杂剂之类的缺陷对于开发具有某些性质的材料（如金属的力学性能或半导体的电子性质）是很重要的。异相边界是一种扩展的晶体学缺陷，其特征是晶体相邻区域晶胞尺寸的部分错位。当失调的偏移量为晶胞尺寸的一半时，它是被称为反相边界的特殊情况。虽然反相边界的起源及其对性质的影响已经在金属合金和半导体薄膜中得到了很好的研究，但在复杂氧化物中的研究却很少，它们与功能性质的联系仍然难以捉摸。

【成果简介】

今日，在新加坡科技研究局（A*STAR）姚奎首席科学家和Liu Huajun（共同通讯作者）团队等人带领下，与新加坡国立大学、美国宾夕法尼亚州立大学和美国密苏里大学合作，研究表明，纳米柱区和规则的钙钛矿基体之间的异相边界在无铅、缺钠的NaNbO3薄膜中诱导了局部结构和极性异质性，并产生了巨大的压电响应。团队利用原子尺度的图像揭示了尺寸为几纳米到几十纳米的垂直纳米柱的形成。在理论计算的支持下，纳米柱区周围的结构畸变降低了晶体的对称性，从四方结构变为单斜结构，促进了电场下的极化旋转和域壁运动，大幅提升了压电性能。在施加125kV/cm的电场下，在1kHz时，得到了巨大的有效压电系数d*33,f，f为~1098pm/V，是最好的PZT基薄膜的两倍多，是最佳的KNN基薄膜的四倍。仅保持了简单的三元素组成（Na、Nb和O）和约450℃的高居里温度（TC）。在钙钛矿结构中形成具有纳米柱的局部异质性，可以作为设计和优化各种功能材料的通用方法的基础。相关成果以题为“Giant piezoelectricity in oxide thin films with nanopillar structure”发表在了Science。

【图文导读】图1 NNO和NPR-NNO薄膜的原子结构

图2 NNO和NPR-NNO薄膜的晶体结构和相变

图3 NNO和NPR-NNO薄膜的压电特性

图4 压电特性的理论计算

文

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