多年磨一剑，难度极大，从数万原子筛出50个，西安交通大学在材料学领域取得重大突破

来源：iNature

原标题：Science | 多年磨一剑，难度极大，从数万原子筛出50个，西安交通大学在材料学领域取得重大突破（Science重磅点评）

高性能压电技术使各种机电应用中的传感器和感应器受益。具有最高压电电荷系数（d33）的材料是二十年前发现的弛豫-PbTiO3晶体。压电材料响应于应力的变化产生电荷，因此是良好的传感器材料。一个挑战是增加具有均匀特性的单晶压电材料。截至目前，由于成分的变化，大部分晶体被丢弃。

2019年4月19日，西安交通大学李飞（西安交通大学为第一单位）及 美国宾夕法尼亚州立大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals”的研究论文，该研究成功地生长了Sm掺杂的Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）单晶，其d33值甚至更高，范围为每牛顿3400至4100pC N-1，具有良好的性能均匀性，这些晶体是各种传感应用的理想选择，可以通过消除浪费来降低成本。用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征，以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此，稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。

最后，Science发表了题为“Doubling up piezoelectric performance”的点评文章，里面谈到实验成像是一项艰巨的任务，使用高分辨率透射电子显微镜检查PMN-PT结构，在约20×20×20个单元晶格的小体积内，相当于40,000个原子。虽然在该体积中仅存在50个Sm原子，但是图像显示它们在Pb位置被取代，其难度及工作量非常大。另外，PMN-PT晶体中掺入的微量Sm显著提高了它们的压电和介电性能，并且这种效应可能是由纳米级应变波动引起的。这些有趣的发现不仅为机电换能器和低场致动器的设计带来了好消息，而且还提出了关于PMN-PT系列晶体的独特压电性能的起源和极限的问题。

成功制备弛豫铁电固溶体单晶（弛豫-PT晶体），如Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（PMN-PT）和Pb（Zn1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（PZN） -PT），20多年前是铁电研究的里程碑式成就。这些弛豫铁电晶体具有非常高的压电系数d33（1200至2500 pC N-1）和最小的压电应变滞后（<5％），远远优于主流压电材料[即“软”Pb（Zr，Ti）O3陶瓷]，其d33和应变滞后值分别为500至700pC N-1和> 30％。

这些独特的特征归因于弛豫-PT晶体的增强的压电性，来自域工程配置中的大的内在（晶格）贡献，而不是陶瓷对应物中观察到的外部畴壁运动。进一步增强压电性，以满足先进压电器件不断增长的需求是一个活跃的领域，特别是对于高频医用换能器阵列和超低磁场驱动致动器，强烈要求高压电性能。然而，尽管做了这些广泛的努力，但在过去二十年中改进这些装置中的压电响应的进展缓慢。

Sm掺杂PMN-PTcrystals的成像和机电性能

根据Landau现象学理论，可以通过增加介电常数ε33/ε0来实现高内在d33，其对应于相对于极化的平坦吉布斯自由能密度分布。先前的研究表明，通过宏观地或微观上的局部结构设计铁电相，可以使铁电体的自由能分布平坦化。从宏观上看，铁电单畴的自由能分布可以通过设计准同型相界（MPB）来平坦化，在此期间两个或多个准同型相之间的能垒预计较低。许多研究表明，由于B位阳离子的独特特征 - 即Mg2 + -Nb5 +的存在，PMN-PT晶体的高压电性受益于MPB和纳米级结构的异质性。

Sm掺杂PMN-PT的第一性原理计算

通过A位改性进一步增强了PMN-PT多晶陶瓷的局部结构非均质性，使d33增加到~1500 pC N-1。掺杂Sm的PMN-PT陶瓷的d33是最好的PMN-PT陶瓷的两倍，但仍低于PMN-PT单晶的值。

在该研究中，成功地生长了Sm掺杂的Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）单晶，其d33值甚至更高，范围为每牛顿3400至4100pC N-1，具有良好的性能均匀性。研究人员用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征，并进行了第一性原理计算，以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此，稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。