高性能壓電技術使各種機電應用中的傳感器和感應器受益。具有最高壓電電荷系數（d33）的材料是二十年前發現的弛豫-PbTiO3晶體。壓電材料響應于應力的變化產生電荷，因此是良好的傳感器材料。一個挑戰是增加具有均勻特性的單晶壓電材料。截至目前，由于成分的變化，大部分晶體被丟棄。

2019年4月19日，西安交通大學李飛（西安交通大學為第一單位）及 美國賓夕法尼亞州立大學張樹君共同通訊在Science 在線發表題為“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3 single crystals”的研究論文，該研究成功地生長了Sm摻雜的Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）單晶，其d33值甚至更高，范圍為每牛頓3400至4100pC N-1，具有良好的性能均勻性，這些晶體是各種傳感應用的理想選擇，可以通過消除浪費來降低成本。用掃描透射電子顯微鏡對原子尺度的Sm-PMN-PT進行了表征，以確定巨大的壓電特性是由Sm3 +摻雜劑引入的增強的局部結構非均勻性引起的。因此，稀土摻雜被認為是引入局部結構異質性以增強弛豫鐵電晶體的壓電性的一般策略。

最后，Science發表了題為“Doubling up piezoelectric performance”的點評文章，里面談到實驗成像是一項艱巨的任務，使用高分辨率透射電子顯微鏡檢查PMN-PT結構，在約20×20×20個單元晶格的小體積內，相當于40,000個原子。雖然在該體積中僅存在50個Sm原子，但是圖像顯示它們在Pb位置被取代，其難度及工作量非常大。另外，PMN-PT晶體中摻入的微量Sm顯著提高了它們的壓電和介電性能，并且這種效應可能是由納米級應變波動引起的。這些有趣的發現不僅為機電換能器和低場致動器的設計帶來了好消息，而且還提出了關于PMN-PT系列晶體的獨特壓電性能的起源和極限的問題。

成功制備弛豫鐵電固溶體單晶（弛豫-PT晶體），如Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（PMN-PT）和Pb（Zn1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（PZN） -PT），20多年前是鐵電研究的里程碑式成就。這些弛豫鐵電晶體具有非常高的壓電系數d33（1200至2500 pC N-1）和最小的壓電應變滯后（<5％），遠遠優于主流壓電材料[即“軟”Pb（Zr，Ti）O3陶瓷]，其d33和應變滯后值分別為500至700pC N-1和> 30％。

這些獨特的特征歸因于弛豫-PT晶體的增強的壓電性，來自域工程配置中的大的內在（晶格）貢獻，而不是陶瓷對應物中觀察到的外部疇壁運動。進一步增強壓電性，以滿足先進壓電器件不斷增長的需求是一個活躍的領域，特別是對于高頻醫用換能器陣列和超低磁場驅動致動器，強烈要求高壓電性能。然而，盡管做了這些廣泛的努力，但在過去二十年中改進這些裝置中的壓電響應的進展緩慢。

Sm摻雜PMN-PTcrystals的成像和機電性能

根據Landau現象學理論，可以通過增加介電常數ε33/ε0來實現高內在d33，其對應于相對于極化的平坦吉布斯自由能密度分布。先前的研究表明，通過宏觀地或微觀上的局部結構設計鐵電相，可以使鐵電體的自由能分布平坦化。從宏觀上看，鐵電單疇的自由能分布可以通過設計準同型相界（MPB）來平坦化，在此期間兩個或多個準同型相之間的能壘預計較低。許多研究表明，由于B位陽離子的獨特特征 - 即Mg2 + -Nb5 +的存在，PMN-PT晶體的高壓電性受益于MPB和納米級結構的異質性。

通過A位改性進一步增強了PMN-PT多晶陶瓷的局部結構非均質性，使d33增加到~1500 pC N-1。摻雜Sm的PMN-PT陶瓷的d33是最好的PMN-PT陶瓷的兩倍，但仍低于PMN-PT單晶的值。

在該研究中，成功地生長了Sm摻雜的Pb（Mg1 / 3Nb2 / 3）O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）單晶，其d33值甚至更高，范圍為每牛頓3400至4100pC N-1，具有良好的性能均勻性。研究人員用掃描透射電子顯微鏡對原子尺度的Sm-PMN-PT進行了表征，并進行了第一性原理計算，以確定巨大的壓電特性是由Sm3 +摻雜劑引入的增強的局部結構非均勻性引起的。因此，稀土摻雜被認為是引入局部結構異質性以增強弛豫鐵電晶體的壓電性的一般策略。

參考信息：

https://science.sciencemag.org/content/364/6437/264

https://science.sciencemag.org/content/364/6437/228

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責任編輯：殷鵬飛