网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

西安交大、清华大学、北科大,合作发《Science》!

0
分享至

近日,

西安交通大学

金属材料强度全国重点实验室

合作发表《科学》,

点缺陷序构实现高频下超高性能。

潜心钻研,聚力创新,

展现交大科技力!



研究概况

兼具大响应幅值与高频工作能力,是压电材料面向超声换能、精密驱动和微机电系统等应用的核心需求,也是长期存在的科学挑战。

近日,西安交通大学金属材料强度全国重点实验室和材料学院孙军院士、丁向东教授团队武海军教授课题组与清华大学李敬锋教授团队合作在《科学》(Science)发表题为《极化子-缺陷复合实现超高压电性》(Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes)的研究成果。

联合研究团队在铌酸银(AKN)基薄膜中构筑了可动态重构的点缺陷序构:极化子—缺陷(polaron-defect,PD)复合体序构,由此形成PD-AKN材料体系。在直流偏压激活下,PD-AKN在1 kHz下的场致有效压电系数达到7170 pm V-1,最大场致应变达到6.2%;频率升至10 kHz后,场致有效压电系数仍达到1090 pm V-1,展现出突出的千赫兹机电响应。


研究内容


领域挑战:压电响应的

幅值速度协同难题


压电响应不仅取决于电场能够诱导多大的极化和晶格形变,也取决于这些变化能否及时跟随外场。

本征电偶极具有较快的响应动力学,但在中等电场下,可逆极化调制及晶格位移的幅度通常有限。离子缺陷跨越多个晶胞重新分布,可以建立较大的缺陷极化和晶格形变,却受到较高迁移能垒的制约,响应会随工作频率升高而显著衰减。两类机制由此形成响应幅值与工作频率之间的明显权衡,即“快而小”与“大而慢”。

PD-AKN的设计核心是利用快速跃迁的电子小极化子(即与局域晶格畸变耦合的局域电子态)驱动缺陷极化变化,从而将“大缺陷极化”与“快电子动力学”结合起来,实现“快又大”的场致机电响应。

与离子缺陷的长程迁移不同,这种电子介导的局域重构具有更快的动力学,同时保持对晶格的显著调制能力,为协调响应幅值与工作频率提供了新的设计范式。


图1.PD-AKN的设计思路与千赫兹性能。本征电偶极响应迅速但可调形变有限,离子缺陷偶极可产生较大极化和形变却受慢迁移制约;电子小极化子的快速跃迁驱动PD复合体重构,使PD-AKN兼具显著的场致响应幅值和千赫兹工作能力。


极化子缺陷复合体的

原子结构基础


原子分辨扫描透射电子显微镜表明,PD-AKN中存在高密度的Nb反位缺陷单元,局域成分起伏与这些缺陷的形成和聚集相伴出现。多角度成像与变焦观察进一步显示,具有空间延展性的缺陷单元在薄膜中形成高密度三维互连网络,为大量PD复合体提供结构载体。

局域应变分析显示,反位缺陷周围存在显著的晶格拉伸与压缩;原子分辨电子能量损失谱则观察到缺陷附近Nb价态降低,这与电子小极化子的形成相符。电子态变化与晶格畸变在相近的纳米尺度内逐渐衰减;结合谱学表征与理论计算,这些结果揭示了相对固定的反位缺陷、电子小极化子及其伴随畸变之间的静电—弹性耦合。


图2.PD-AKN中极化子—缺陷复合体的原子结构证据。原子尺度成像揭示了反位缺陷单元及其聚集形态,多角度和变焦观察呈现了缺陷单元的空间延展与三维网状互联特征;缺陷附近的局域晶格畸变和Nb价态变化进一步揭示了电荷局域化与晶格畸变之间的耦合。


电场驱动的

极化子缺陷复合体重构


未施加电场时,PD复合体的取向近似随机,其局域极化在宏观尺度上大部分相互抵消。施加直流电场后,极化子在相邻晶格位置间定向跃迁,使PD复合体重构,从而产生较大的缺陷极化,并伴随缺陷附近局域畸变各向异性增强;叠加交流电场后,极化子快速往复跳跃,使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制,这一极化调制通过电致伸缩耦合转化为宏观应变。

研究显示,随直流偏压升高,二次谐波信号的背景与局域热点同步增强,偏振分析显示PD复合体经历“取向—延展”的两阶段演化;原位4D-STEM则直接记录到缺陷富集区域的面外晶格膨胀逐步增强。

SHG与原位4D-STEM分别从介观极化状态和纳米尺度晶格结构两个层面验证了PD复合体的电场诱导演化,其在千赫兹频率下的响应能力则取决于电子小极化子的跃迁动力学。


图3.电场驱动PD复合体动态重构。直流偏压使PD复合体由随机状态先取向、后延展,叠加小幅交流场后小极化子可在缺陷锚点附近往复跳跃;SHG和原位4D-STEM分别记录了极化相关状态的演化与缺陷富集区域的面外晶格膨胀。


电子小极化子动力学

支撑千赫兹超高响应


电输运、宽频介电谱和频率弛豫分析得到约0.41 eV的有效激活能以及0.4至0.8 ms的室温弛豫时间。这些参数处于电子小极化子跃迁的特征范围;相较典型氧空位迁移过程,其较低的有效能垒和更短的弛豫时间为PD-AKN的千赫兹响应提供了动力学基础。

在这一动力学基础上,PD-AKN在1 kHz下的场致有效压电系数达到7170 pm V-1,最大场致应变达到6.2%;在5 kHz和10 kHz下,场致有效压电系数仍分别保持在2080 pm V-1和1090 pm V-1。循环测试显示,PD-AKN在10 kHz下经历超过4000万次循环后,未观察到明显的时间依赖漂移。


图4.电子小极化子动力学与PD-AKN的千赫兹机电响应。约0.41 eV的有效激活能和亚毫秒弛豫时间体现了电子小极化子的动力学优势;PD-AKN在1 kHz下分别获得7170 pm V-1的场致有效压电系数和6.2%的最大场致应变,频率升至10 kHz后仍保持1090 pm V-1的响应。

研究团队还在中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂TiO2-x薄膜中获得了同类千赫兹机电响应,说明PD复合体设计可以跨越不同材料骨架,并不依赖传统铁电自发极化。

这一结果进一步拓展了利用局域极化子、缺陷与晶格协同作用设计高性能机电材料的空间,也为块体、陶瓷等材料形态提供了新的研究思路。

PD-AKN的千赫兹超高响应表明,电子态、晶格畸变和响应动力学可以在同一材料中协同设计。带电缺陷在空间上锚定电子小极化子,外场调控其动态重构,局域电荷变化经由晶格耦合转化为宏观应变。这种极化子驱动的电荷—晶格协同响应,为在传统铁电机制之外构筑兼具大幅形变与快速动力学的机电材料提供了新的物理基础和材料设计路径。



论文作者

西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文第一通讯作者单位。清华大学舒亮博士和西安交通大学彭古扬博士研究生为论文共同第一作者;西安交通大学武海军教授、清华大学李千副教授、北京科技大学徐坤教授和清华大学李敬锋教授为论文共同通讯作者,西安交通大学孙军院士和丁向东教授为共同作者。

该工作致谢西安交通大学分析测试中心的支持。


论文链接地址

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972

武海军教授课题组主页

https://www.xmol.com/groups/Wu_Haijun

来源:西安交通大学。

欢迎留言,分享观点。点亮❤



特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
拍了两年才放出!美军公布中国绝密空天飞机,太空暗战升级

拍了两年才放出!美军公布中国绝密空天飞机,太空暗战升级

健身狂人
2026-10-29 20:18:25
外企加速撤离?又一在华30年行业巨头将撤出中国,11000员工去留惹争议

外企加速撤离?又一在华30年行业巨头将撤出中国,11000员工去留惹争议

闺蜜财经
2026-10-29 01:16:02
法国主席足协:姆巴佩道歉了,这事应该翻篇了

法国主席足协:姆巴佩道歉了,这事应该翻篇了

懂球帝
2026-10-29 19:01:10
纯电汽车可能会被时代抛弃?内行人预言:下一个主角已登场!

纯电汽车可能会被时代抛弃?内行人预言:下一个主角已登场!

兴趣知识
2026-10-29 03:02:21
学校又给孩子抽血,家长气得发抖!谁给了学校随意抽血的权力?

学校又给孩子抽血,家长气得发抖!谁给了学校随意抽血的权力?

一丝不苟的法律人
2026-10-29 11:52:00
日本海上自卫队确认了:日本一自卫队队员因试图向一名小学生勒索30万日元(约合人民币12600元)现金而被开除军籍

日本海上自卫队确认了:日本一自卫队队员因试图向一名小学生勒索30万日元(约合人民币12600元)现金而被开除军籍

吉刻新闻
2026-10-29 13:43:17
0-1大冷!5-6翻车!U17女足世界杯8强乱了:中国队若赢球将战巴西

0-1大冷!5-6翻车!U17女足世界杯8强乱了:中国队若赢球将战巴西

大秦壁虎白话体育
2026-10-29 08:06:41
德国总理默茨在日本,提及台海的一句话,让高市早苗没法装了?

德国总理默茨在日本,提及台海的一句话,让高市早苗没法装了?

DS北风
2026-10-29 11:38:01
【亚冠】首败!申花0比1町田泽维亚 吴曦朱辰杰伤缺

【亚冠】首败!申花0比1町田泽维亚 吴曦朱辰杰伤缺

体坛周报
2026-10-29 22:12:45
河南多工厂暴雷!被曝用鸡脖泥做馅料,老板公开承认,尽量不要吃

河南多工厂暴雷!被曝用鸡脖泥做馅料,老板公开承认,尽量不要吃

削桐作琴
2026-10-29 15:22:06
曝美女医学博士生王德悦去世,年仅27岁,生前曾后悔:毕业时做个普通人就好了!

曝美女医学博士生王德悦去世,年仅27岁,生前曾后悔:毕业时做个普通人就好了!

育学笔谈
2026-10-29 14:59:33
崔永熙补篮绝杀!杜锋观战广东险胜江苏 焦泊乔伤退胡明轩追平王仕鹏

崔永熙补篮绝杀!杜锋观战广东险胜江苏 焦泊乔伤退胡明轩追平王仕鹏

醉卧浮生
2026-10-29 21:37:33
​黑色透视装抢镜!莱奥塔主持比赛遭身旁同事偷瞄

​黑色透视装抢镜!莱奥塔主持比赛遭身旁同事偷瞄

足球推文C
2026-10-29 11:57:57
张馨予 海边比基尼 大秀好身材 肉欲满满 觉得美的留下评论

张馨予 海边比基尼 大秀好身材 肉欲满满 觉得美的留下评论

乡野小珥
2026-10-30 00:47:39
大消息!刚刚,美国重大发布

大消息!刚刚,美国重大发布

证券时报
2026-10-29 22:14:10
人民锐评:“养老金要崩盘”?用“三本账”穿越认知迷雾

人民锐评:“养老金要崩盘”?用“三本账”穿越认知迷雾

澎湃新闻
2026-10-29 20:59:04
去中国化第一课!铰链不给大陆做,iPhone Duo屏幕漏液冲上热搜

去中国化第一课!铰链不给大陆做,iPhone Duo屏幕漏液冲上热搜

旧史新谭
2026-10-29 11:33:49
突发!华为系奕境X9路中起火,奕境总经理紧急回应

突发!华为系奕境X9路中起火,奕境总经理紧急回应

大厂财经社
2026-10-29 11:17:04
塞尔电台:皇马原本不想就姆巴佩事件发声明,因中国赞助约 2000 万欧被迫表态

塞尔电台:皇马原本不想就姆巴佩事件发声明,因中国赞助约 2000 万欧被迫表态

小青年渌渌
2026-10-29 16:36:51
阿拉斯加一头熊因屁股挂多条绦虫,获颁"最佳宿主奖"

阿拉斯加一头熊因屁股挂多条绦虫,获颁"最佳宿主奖"

算力游侠
2026-10-29 01:24:25
2026-10-30 01:23:00
材料科学与工程 incentive-icons
材料科学与工程
材料类综合、全面、专业的平台
8240文章数 17191关注度
往期回顾 全部

科技要闻

MacBook终于能触屏了:22999元起

头条要闻

媒体:守住不该守住的底盘 77岁的内塔尼亚胡逃出生天

头条要闻

媒体:守住不该守住的底盘 77岁的内塔尼亚胡逃出生天

体育要闻

超级黑马!球队不败 29岁的他得分榜前三

娱乐要闻

白百何被曝和二婚丈夫离婚 和男生逛街

财经要闻

两大娱乐巨头,谈崩了

汽车要闻

标配宁德时代电池 智己LS8 NEO纯电预售24.98万起

态度原创

健康
教育
家居
本地
军事航空

查不出猝死风险?可能是项目没做对

教育要闻

澳大利亚留学不香了?不留学比例在上升真没钱了?

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

军事要闻

万斯致信伊朗安全高官试图重启谈判

无障碍浏览 进入关怀版