高性能压电单晶材料获突破

            
            

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文章来源：中国科学报 张行勇   发布时间：2019-04-22  【字号：小  中  大 】   6park.com
            

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　　图A：Sm-PMN-PT晶体照片 图B：晶体压电系数和介电常数 图C：晶体电致应变测试曲线 西安交通大学供图
　　自1997年被发现以来，弛豫铁电单晶被认为是压电材料取得的革命性突破，它大幅度提升了压电材料的性能和医疗超声的成像分辨率。然而，随着人们对医疗超声系统精度需求的不断提升，如何进一步提高弛豫铁电单晶的压电和介电性能，成为近20多年来，国内外科学家广泛关注的重要科学问题。
　　西安交通大学教授李飞、徐卓与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国北卡州立大学等单位合作，在弛豫铁电单晶材料高性能化研究方面取得重大突破，相关成果4月19日发表于《科学》。
　　据介绍，研究人员设计并生长了钐掺杂的铌镁酸铅—钛酸铅压电单晶，成功将“增强的局域结构无序性”“准同型相界”和“工程畴结构”三种高压电效应的起因有机结合，大幅度提高了弛豫铁电单晶的压电和介电性能，压电系数最高达4000皮库仑每牛顿以上，介电常数达12000以上，较之非掺钐的同组分的铌镁酸铅—钛酸铅压电单晶的性能提高约1倍。同时，利用钐元素在晶体生长过程中的分凝特点，研究人员优化了单晶棒性能的均匀性，为高频医疗超声探头和高精度与大位移压电驱动器奠定了新压电单晶材料基础。
　　此外，基于第一性原理计算，研究团队还发现，钐掺杂的铌镁酸铅—钛酸铅晶体相变温度下降很可能是由于钐掺入而随之产生的铅空位所致。而这一发现将为今后进一步优化弛豫铁电单晶的综合性能提供理论参考。