近日，哈工大物理學院田浩教授、譚鵬副教授與西安交通大學李飛教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授合作，在鈣鈦礦鐵電體高度可調壓電效能的物理解析方面取得重要進展，研究成果以《鈣鈦礦鐵電體中過渡金屬摻雜誘導高度可調壓電效能的物理機制》（Deciphering the atomistic mechanism underlying highly tunable piezoelectric properties in perovskite ferroelectrics via transition metal doping）為題發表於《自然通訊》（Nature Communications）。研究團隊以鉭鈮酸鉀單晶為基質，透過鐵、錳摻雜，揭示了過渡金屬摻雜調控本徵極化行為和壓電效能的途徑，為鈣鈦礦鐵電體的策略性設計提供了範例。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-54842-6
壓電性是鈣鈦礦鐵電體的關鍵特性，使其成為宏觀到微納尺度機電系統的核心。以微量過渡金屬摻雜和衍生空位為代表的缺陷工程策略在調節壓電效能方面展現出巨大潛力。儘管這種方法已被廣泛用於材料改性，但對能夠積極影響材料效能的缺陷特徵仍缺乏全面瞭解，阻礙著普遍適用的缺陷選擇與設計策略發展。以往研究常將改性效果歸因於疇壁運動特性的變化，而忽略了過渡金屬本身的特性。鐵和錳作為最具代表性的受主微量摻雜元素，在鐵電材料中摻入後，理論上應表現出相似的改性效果，但實際上對壓電效能的影響卻大相徑庭，表明過渡金屬自身特性對本徵極化的影響不容忽視。
為深入探究這一問題，研究團隊選取正交晶相鈣鈦礦鉭鈮酸鉀單晶作為研究物件，引入常在“硬性”鐵電體中用作摻雜劑的鐵和錳元素，從本徵極化行為出發，探究了過渡金屬摻雜如何調控壓電效能。研究表明，儘管鐵和錳都以受主摻雜形式進入晶格，但它們誘導的缺陷結構中特定的電子構型對晶格畸變、自發極化取向和局域電荷分佈產生了不同的調控作用。這種差異性構建了兩種截然不同的極化框架，從而對壓電效能產生了顯著且多樣化的影響。錳摻雜破壞了極化的連續性，引入了顯著的區域性畸變，使得壓電係數大幅提升至1000皮庫倫/牛頓（pC/N）以上，是純鉭鈮酸鉀晶體的兩倍。而鐵摻雜則增強了極化的有序性，產生了效能“硬化”效果，使機械品質因數較純鉭鈮酸鉀晶體提高了五倍，達到700。這一鮮明對比充分展示了過渡金屬摻雜在鈣鈦礦鐵電體中實現多功能改性的巨大潛力。透過精心選擇過渡金屬摻雜元素並設計功能性缺陷偶極子，可為鈣鈦礦鐵電體的設計提供豐富的可能性。
過渡金屬摻雜調控極化結構，展現出多樣化壓電效能調控能力
哈工大為論文第一完成單位。物理學院譚鵬副教授、黃曉林博士和王宇副研究員為論文共同第一作者。田浩教授、李飛教授、張樹君教授為共同通訊作者。該研究獲國家自然科學基金、國家重點研發計劃、黑龍江省自然科學基金等專案支援。
本文來自：哈爾濱工業大學。
