近日，上海交大機械與動力工程學院前瞻交叉研究中心楊天南副教授在Nature上發(fā)表題為“Ultrahigh electromechanical response from competing ferroic orders”的研究論文，提出了基于極化序構(gòu)競爭的機電耦合材料設(shè)計策略，通過構(gòu)建反鐵電與鐵電相共存，增強電場誘導(dǎo)的晶格序構(gòu)響應(yīng)，實現(xiàn)材料壓電性顯著提高。楊天南副教授為共同第一作者，另兩位共同第一作者為新加坡科技研究局/新加坡南洋理工大學博士生林柏臣、新加坡科技研究局Khuong Phuong Ong研究員，通訊作者為新加坡南洋理工大學Yeng Ming Lam教授與新加坡科技研究局劉華俊研究員。
 

　　具有機電耦合的物質(zhì)可以實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換，是換能器和聲學器件應(yīng)用的關(guān)鍵。鐵電材料的極化序構(gòu)伴隨著較強晶格形變，具有較高的電致伸縮系數(shù)，可望帶來高效的機電響應(yīng)。通過獲得強烈的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，可顯著提高鐵電材料的機電耦合，其傳統(tǒng)方法包括獲得準同型相界與構(gòu)造納米尺度的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性兩種。本研究提出了一種基于反鐵電和鐵電相競爭的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性提高材料機電響應(yīng)的新策略，為機電器件的材料設(shè)計提供了新思路。
 

通過增強結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性提高薄膜機電響應(yīng)的策略
 

　　該策略通過基板限制的對稱性工程，增加鈮酸鈉薄膜反鐵電相的極化自由度，降低自由能密度曲線的曲率，獲得結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，從而獲得電場誘導(dǎo)的反鐵電-鐵電相變，增強介電響應(yīng)，實現(xiàn)材料壓電系數(shù)的顯著提高，該策略獲得的鈮酸鈉薄膜表現(xiàn)出超過5000 pm/V的壓電系數(shù)。理論計算進一步揭示了極化反轉(zhuǎn)的能壘的降低，類似于準同型相界處的熱力學能量函數(shù)，闡明了機電響應(yīng)過程中相演化的動力學機制。研究展示了通過構(gòu)建薄膜中反鐵電和鐵電相共存，利用多極性相競爭顯著增強鈮酸鈉薄膜機電響應(yīng)的策略,提供了基于反鐵電材料實現(xiàn)高性能機電器件設(shè)計的有效途徑。
 

　　楊天南副教授主要從事鐵性與電介質(zhì)材料的熱力學、動力學與相場理論研究，致力于推進功能材料的多尺度模型與設(shè)計理論發(fā)展，近年來在Nature、Science、Nature Materials等期刊發(fā)表論文80余篇。