近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院田浩教授、譚鵬副教授與西安交通大學(xué)李飛教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授合作，在鈣鈦礦鐵電體高度可調(diào)壓電性能的物理解析方面取得重要進(jìn)展，研究成果以《鈣鈦礦鐵電體中過渡金屬摻雜誘導(dǎo)高度可調(diào)壓電性能的物理機(jī)制》(Deciphering the atomistic mechanism underlying highly tunable piezoelectric properties in perovskite ferroelectrics via transition metal doping)為題發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)。研究團(tuán)隊(duì)以鉭鈮酸鉀單晶為基質(zhì)，通過鐵、錳摻雜，揭示了過渡金屬摻雜調(diào)控本征極化行為和壓電性能的途徑，為鈣鈦礦鐵電體的策略性設(shè)計(jì)提供了范例。
 

　　壓電性是鈣鈦礦鐵電體的關(guān)鍵特性，使其成為宏觀到微納尺度機(jī)電系統(tǒng)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(diào)節(jié)壓電性能方面展現(xiàn)出巨大潛力。盡管這種方法已被廣泛用于材料改性，但對能夠積極影響材料性能的缺陷特征仍缺乏全面了解，阻礙著普遍適用的缺陷選擇與設(shè)計(jì)策略發(fā)展。以往研究常將改性效果歸因于疇壁運(yùn)動(dòng)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，在鐵電材料中摻入后，理論上應(yīng)表現(xiàn)出相似的改性效果，但實(shí)際上對壓電性能的影響卻大相徑庭，表明過渡金屬自身特性對本征極化的影響不容忽視。
 

　　為深入探究這一問題，研究團(tuán)隊(duì)選取正交晶相鈣鈦礦鉭鈮酸鉀單晶作為研究對象，引入常在“硬性”鐵電體中用作摻雜劑的鐵和錳元素，從本征極化行為出發(fā)，探究了過渡金屬摻雜如何調(diào)控壓電性能。研究表明，盡管鐵和錳都以受主摻雜形式進(jìn)入晶格，但它們誘導(dǎo)的缺陷結(jié)構(gòu)中特定的電子構(gòu)型對晶格畸變、自發(fā)極化取向和局域電荷分布產(chǎn)生了不同的調(diào)控作用。這種差異性構(gòu)建了兩種截然不同的極化框架，從而對壓電性能產(chǎn)生了顯著且多樣化的影響。錳摻雜破壞了極化的連續(xù)性，引入了顯著的局部畸變，使得壓電系數(shù)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(qiáng)了極化的有序性，產(chǎn)生了性能“硬化”效果，使機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較純鉭鈮酸鉀晶體提高了五倍，達(dá)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(shí)現(xiàn)多功能改性的巨大潛力。通過精心選擇過渡金屬摻雜元素并設(shè)計(jì)功能性缺陷偶極子，可為鈣鈦礦鐵電體的設(shè)計(jì)提供豐富的可能性。
 

過渡金屬摻雜調(diào)控極化結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出多樣化壓電性能調(diào)控能力
 

　　哈工大為論文第一完成單位。物理學(xué)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(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、黑龍江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。