交大电信再发Nature: 交流极化颠覆认知，弛豫铁电电光压电齐飞

来源：知社学术圈

压电材料是一种能够实现电-声信号转换的智能材料，广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。然而，由于高性能压电材料，如：Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程畴结构的PMN-PT单晶材料，其内部存在大量的铁电畴壁和晶界（对于陶瓷而言），通常在可见光波段是不透明的。这一问题长期阻碍了人们试图将可见光耦合到高性能压电器件中的设想。

2020年01月16日，Nature杂志线上发表一篇题为“Transparent  ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity ”的研究论文，报道了来自西安交通大学李飞、徐卓教授和美国宾州州立大学陈龙庆教授研究团队关于透明高性能压电材料研究的最新成果。研究团队通过交流极化的方法制备出了同时具高压电和电光效应，以及接近理论极限透光性的弛豫铁电单晶。这类晶体的机电耦合系数k33为94%，压电系数d33大于2100 pC N-1，并且具有优异电光性能（γ33:  ~ 220 pm V-1）。研究团队同时还发现，在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）晶体中，减小畴壁密度（或增大电畴尺寸）可使晶体压电和介电性能大幅增加，挑战了人们长期以来由于钛酸钡晶体研究工作而形成的高畴壁密度产生高压电效应的传统认识，为今后压电材料设计提供了思路。

在本次工作中，研究团队首先通过相场模拟（采用商业软件Mu-PRO 完成，http://mupro.co/contact/），研究了[001]取向的三方相PMN-PT晶体在受到交流和直流电场作用时，晶体中铁电畴的变化情况。如图1所示，未极化晶体包含了所有八种三方相铁电畴，其自发极化分别沿8个不同的<111>方向。当给晶体加载[001]方向直流电场时，其中四种极化方向沿[111_]、[1_11_]、[1_1_1_]和[11_1_]的电畴将翻转到[111]、[11_1]、[1_1_1]、[1_11]方向。此时，晶体电畴结构变为一种层状结构，层与层之间由一系列平行于(001)晶面的109o畴壁分隔；且在每一层中又存在与{011}面基本平行的71o畴壁。在这些畴壁中，109o畴壁对晶体透光率没有影响，而71o畴壁对光线有散射作用，因而将影响晶体的透光性。令人感到意外的是，当晶体受到交流电场作用时，晶体中71o畴壁在逐渐消失，导致每一层中的铁电畴尺寸逐渐增大。这一模拟结果表明，利用交流电场来处理[001]取向的弛豫铁电单晶有望大幅提高其透光性。

图1.直流和交流电场极化后[001]取向PMN-28PT单晶的畴结构及其演化过程的相场模拟结果。a, 未极化、直流和交流极化样品的畴结构。黑色和白色箭头分别表示极化方向沿[100]方向的分量为正和负。b, 交流极化过程中，铁电畴结构的演化图。初始状态下（电场E = 0.0 kV cm-1）的样品为直流极化后的晶体。蓝色和红色的箭头表示所施加的沿[001]和[001_]方向的电场。模拟尺寸为512 nm × 512 nm。

在相场模拟基础上，研究团队对三方相PMN-28PT单晶开展了深入的实验研究工作，首先证实了交流电场确实有助于消除晶体中的71o畴壁。进而，课题组优化了单晶的表面处理和极化工艺，几乎完全消除了晶体中的71o畴壁（如图2所示），获得了具有接近完美透光性的高性能弛豫铁电单晶材料。同时，相比于传统方法极化的单晶，由于71o畴壁的消失，该晶体的压电系数提高了超过30%，双折射率提高了一个数量级（如图3所示）。

图2 . [001]取向PMN-28PT单晶畴结构的双折射率成像结果（BIM）。图中颜色表示铁电畴光率体主轴在(001)面上的投影方向，即其光率体的主轴在(001)面的投影与[100]方向的夹角。红色和蓝色分别表示光率体主轴在(001)面投影[110]和[1_10]方向，即45°和135°。

图3. 交流极化与直流极化PMN-28PT单晶性能比较。a，直流极化与交流极化PMN-28PT单晶的实物照片。b，直流极化与交流极化PMN-28PT单晶的光透过率曲线。c, 直流极化与交流极化PMN-28PT单晶的压电系数d33与双折射率。

最后，研究团队利用相场模拟方法，计算了不同的71o畴壁密度与压电性能的关系。模拟结果显示，随着71o畴宽度的增大，晶体的自由能曲线逐渐平缓化（图4 d），导致了介电/压电性能提升（图4e & f），这与PMN-28PT晶体的实验结果完全吻合。

图4. 相场模拟下畴尺寸对PMN-28PT单晶极化、自由能密度以及性能的影响。a, 具有不同71o畴壁密度的[001]极化PMN-28PT单晶电畴结构二维示意图。图中，D71表示相邻71o畴壁之间的距离。Inf. 表示体系中没有71o畴壁的存在。不同颜色极化矢量的方向在图右侧给出。b, 71o畴壁附近极化矢量分布示意图（图a中绿线所示位置），箭头颜色代表极化矢量与[011]方向的夹角。本图为D71=64 nm时的情况。c, 铁电畴自发极化分量Px ([100]), Py ([010])和Pz ([001])的平均大小随D71的变化。红线表示整体极化强度和[111]方向夹角随D71的变化。d，体系的平均自由能密度相对于Pz的变化。选取稳态下（即∆P = 0）的平均自由能密度作为参考值。e, 介电常数（ε33 /ε0）与D71的关系。f，d33与D71的关系。

这项研究工作所获得的透明压电晶体将有效地推动声-光-电多功能耦合器件的设计与开发，例如：透明触觉传感器、具有能量收集功能的透明压电触摸屏、用于光声成像的高性能透明超声换能器等。

论文第一作者包括西安交大电信学部邱超锐博士、张楠教授以及美国宾州州立大学王博博士。西安交大李飞教授和徐卓教授及美国宾州州立大学陈龙庆教授为论文通讯作者。澳大利亚伍伦贡大学张树君教授在实验设计方面做出了重要贡献。参与本项工作的还包括美国宾州州立大学Tom Shrout教授、哈尔滨工业大学田浩教授和王宇博士，西安交大刘金凤硕士，以及英国华威大学David Walker博士等。