高性能压电材料是机电传感器和执行器的关键部件。60多年来，获得高压电性能的成熟策略是通过调整复杂的化学成分来构建多相边界，例如锆钛酸铅(PZT)的形态相边界或铌酸钾钠(KNN)的多态相边界。在这些边界,不同晶相间的能量差异很小,热力学能量分布图很平坦，导致低畴壁能量和铁电畴的小型化。在实现超高压电系数上，局域的结构和化学异质性在纳米尺度上被认为扮演一个重要角色。然而，构造成分控制相边界的策略通常涉及复杂的化学成分，由于大量掺杂导致居里温度(Tc)大幅降低，这些成分的温度稳定性往往较差。
而来自新加坡材料研究与工程研究所的Kui Yao和Huajun Liu等人则采用了另一种不同的策略，通过在钙钛矿氧化物薄膜中形成纳米柱区域来模拟这种局部非均匀性。最终获得了一个巨大的有效压电系数，d∗33,f为~1098皮米/伏，居里温度高达~450℃。本文的无铅/缺钠的铌酸钠只包含3种元素(Na、Nb和O)，钙钛矿结构中局部非均匀性与纳米柱的形成可以作为设计和优化各种功能材料的一般方法的基础。研究结果以Giant piezoelectricity in oxide thin films with nanopillar structure为题发表在Science上。
图1. NaNbO3(NNO)和有纳米柱区域的NNO(NPR-NNO)薄膜的原子结构
图2. NNO和NPR-NNO薄膜的晶体结构和相变
图3. NNO和NPR-NNO薄膜的压电效应
图4. 压电性能的理论计算与概述
Giant piezoelectricity in oxide thin films with nanopillar structure. Liu et al., Science 369, 292–297 (2020)
https://science.sciencemag.org/content/369/6501/292
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