铅基弛豫铁电单晶低温压电性能的异常衰减和介电弛豫现象研究

Relaxor-PT ferroelectric crystals exhibit much higher piezoelectric properties than other inorganic non-metallic materials. For relaxor-PT crystals, the piezoelectric coefficient d33 and electric-field-induced strain are being on the order of 2500 pC/N and 1%, respectively. Since the discovery of relaxor-PT crystals, the origin of high piezoelectric response has been the important issue in the research community of ferroelectric and piezoelectric materials. However, the relationship between the high piezoelectricity and special microstructures in relaxor-PT crystals (i.e., polar nanoregions, B-site ions ordered/disordered structures, etc.) hasn’t been clarified for almost 20-year research. Recently, the applicant observed a transition temperature in relaxor-PT crystals at the temperature range of 80-270 K. With decreasing the temperature below this transition temperature, the piezoelectric response of relaxor-PT crystals drastically decreased, which companied with a dielectric relaxation behavior. This phenomenon quantitatively exhibited the piezoelectric contribution from the special microstructures in relaxor-PT crystals. This project is aim to deeply study the abnormal decrease of piezoelectric response at cryogenic temperature, by which the completely theoretical model will be established to illustrate the ultrahigh piezoelectricity of relaxor-PT crystals. Meanwhile, the effective approaches will be designed to tune the transition temperature, in order to optimize the piezoelectric response of relaxor-PT crystals at cryogenic temperature.

铅基弛豫铁电单晶压电系数d33可达2500pC/N、电致应变量可达1%，是目前压电性能最为优异的无机非金属材料。自该类晶体发现至今，其高压电效应的产生机理一直是铁电压电领域研究的重要问题。然而，经过了近20年的研究工作，弛豫铁电单晶中有别于经典铁电材料的微结构特点，如：极性纳米微区、B位离子有序无序结构等，与高压电效应的关系仍然没有明确。近期，申请人发现弛豫铁电单晶在低温段（80-270K）存在一个明显的转变温度，当温度低于这个转变温度时，晶体压电性能出现剧烈的衰减，并且伴随有介电弛豫的现象。初步分析表明：这一现象定量反应出了弛豫铁电单晶中有别于经典铁电材料的微结构对其压电效应的贡献程度。本项目将以弛豫铁电单晶低温压电效应的异常衰减为研究切入点，拟建立完整地可描述弛豫铁电单晶高压电效应的理论模型；同时，设计可有效调控晶体压电性能衰减温度的技术方法，优化弛豫铁电单晶的低温压电性能。

铅基弛豫铁电单晶，诸如：铌镁酸铅-钛酸铅[PMN-PT]和铌锌酸铅-钛酸铅[PZN-PT]，是目前所有无机非金属材料中压电性能最优异的材料。因此，为了进一步设计和开发具有更高性能的新型压电材料，首先需要明确弛豫铁电单晶高压电效应的产生机理。这也是近二十年来铁电、压电材料领域的核心科学问题之一。.本课题以弛豫铁电单晶低温压电性能衰减和介电弛豫现象为突破口，深入研究了弛豫铁电单晶高压电效应的起源问题。取得的主要研究成果包括：. （1）基于对弛豫铁电单晶低温介电、压电性能以及微观结构的全面表征，同时结合铁电相场模拟计算，课题组成功揭示了弛豫铁电单晶高压电效应起源的介观物理机制，为开发下一代高性能压电材料提供了理论基础。IEEE Fellow、瑞士联邦理工学院Dragan Damjanovic教授评价本工作是弛豫铁电领域的一个里程碑。. （2）在弛豫铁电单晶压电机理研究的基础上，课题组提出了一种新的设计策略，即：通过引入局域结构无序性来调控界面能，从而进一步提升材料的压电性能。为了证实这一思路的有效性，课题组设计并制备了Sm掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）陶瓷。该陶瓷压电系数d33 高达1500 pC/N的压电系数，居里温度为89oC。研究成果于2018年3月发表于Nature Materials期刊上，获得了国内外同行学者的广泛关注，文章被ESI数据库收录为高被引论文。. （3）在陶瓷工作的基础上，课题组提出同时结合局域结构涨落和铁电畴工程的方法来进一步提升弛豫铁电单晶的压电性能。课题组深入研究了Sm掺杂PMN-PT单晶的生长工艺，获得了高质量的Sm-PMN-PT单晶材料，其压电系数d33可达3400-4100 pC/N，正交-四方相变温度约为60oC，居里温度为110oC。这项研究成果已于2019年4月发表于Science期刊上。捷克国家科学院Hlinka教授在同期Science期刊上以“Doubling up piezoelectric performance”为题撰写评论文章，指出“Li等人使PMN-PT单晶的压电系数提高了一倍，这是一个出人意料的结果，为压电器件的设计带来了好消息。”. 以上研究成果为新型压电材料的设计提供了理论参考和重要实验数据。

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