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中美團隊Nature:具有超高壓電效應的透明鐵電單晶

發布:opticseditor    |    2020-02-21 13:48    閱讀:384
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2020年1月16日,英國《自然》期刊在線發表了西安交通大學的李飛教授、徐卓教授以及美國賓州州立大學的陳龍慶教授等人的合作成果:“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity”(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1891-y)。他們通過交流極化的方法制備出了同時具高壓電和電光效應,以及接近理論極限透光性的弛豫鐵電單晶。

鐵電材料是一種能夠實現電-聲信號轉換的智能材料,廣泛應用于超聲、水聲、電子、自控、機械等諸多領域。然而,由于鐵電體存在大量的疇壁和晶界,傳統的高性能壓電材料,如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷和工程疇結構的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)單晶材料,通常在可見光波段是不透明的。這一問題長期地阻礙了人們試圖將可見光耦合到高性能壓電器件中的設想。

該團隊利用交變電場來極化PMN-PT鐵電晶體,從而完全消除了對光有散射作用的鐵電疇壁,從而獲得了兼具高壓電系數(>2100 pC/N)、高電光系數(220 pm/V)和理論極限透光率的鐵電晶體材料。在壓電機理研究方面,基于相場模擬和原位實驗表征,研究團隊還發現,在PMN-PT晶體中,減小疇壁密度(或增大電疇尺寸)可使晶體壓電和介電性能大幅增加,挑戰了人們長期以來由于鈦酸鋇晶體研究工作而形成的高疇壁密度產生高壓電效應的傳統認識,為今后壓電材料的設計提供了思路。

在本次工作中,研究團隊首先通過相場模擬(采用商業軟件Mu-PRO完成,//mupro.co/contact/),研究了[001]取向的三方相PMN-PT晶體在受到交流和直流電場作用時,晶體中鐵電疇的變化情況。如圖1所示,未極化晶體包含了所有八種三方相鐵電疇,其自發極化分別沿8個不同的<111>方向。當給晶體加載[001]方向直流電場時,其中四種極化方向沿[111_]、[1_11_]、[1_1_1_]和[[11_1_]的電疇將翻轉到[111]、[11_1]、[1_1_1]、[1_11]方向。此時,晶體電疇結構變為一種層狀結構,層與層之間由一系列平行于(001)晶面的109°疇壁分隔;且在每一層中又存在與{011}面基本平行的71°疇壁。在這些疇壁中,109°疇壁對晶體透光率沒有影響,而71°疇壁對光線有散射作用,因而將影響晶體的透光性。令人感到意外的是,當晶體受到交流電場作用時,晶體中71°疇壁在逐漸消失,導致每一層中的鐵電疇尺寸逐漸增大。這一模擬結果表明,利用交流電場來處理[001]取向的弛豫鐵電單晶有望大幅提高其透光性。

在相場模擬基礎上,研究團隊對三方相PMN-28PT單晶開展了深入的實驗研究工作,首先證實了交流電場確實有助于消除晶體中的71°疇壁。進而,課題組優化了單晶的表面處理和極化工藝,幾乎完全消除了晶體中的71o疇壁,獲得了具有接近完美透光性的高性能弛豫鐵電單晶材料。同時,相比于傳統方法極化的單晶,由于71°疇壁的消失,該晶體的壓電系數提高了超過30%,雙折射率提高了一個數量級。


a. 本工作所得到的透明高性能壓電單晶材料照片;b. 單晶透光率實驗數據

最后,研究團隊利用相場模擬方法,計算了不同的71°疇壁密度與壓電性能的關系。模擬結果顯示,隨著71°疇寬度的增大,晶體的自由能曲線逐漸平緩化,導致了介電/壓電性能提升,這與PMN-28PT晶體的實驗結果完全吻合。

來源:知社學術圈

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