物理学院，高性能压电单晶，研究 物理学院田浩、周忠祥课题组在高性能压电单晶研究方面取得重要进展
哈工大报讯(田浩/文) 近日，我校物理学院田浩教授、周忠祥教授与清华大学材料学院王轲副教授、李敬锋教授合作报道了关于铌酸钾钠（KNN）高性能无铅压电单晶的文章。相关研究成果以《Ultra-large electric-field-induced strain in potassium sodiumniobate crystals》为题，于2020年3月在线发表在国际知名学术刊物《科学进展》（ScienceAdvances）上。
压电材料是一类能够实现机械能和电能互相转换的重要信息功能材料，在微机电系统（MEMS）、能量回收、医疗诊断、无线通讯等领域有着广泛的应用基础。2019年全球压电材料与器件市场规模已超过250亿美元 [1] ，其中以锆钛酸铅PZT为代表的含铅压电材料占据了绝大部分的市场份额。欧盟RoHS指令规定：铅基压电材料在电子电器产品中的使用或将从2021年开始不被豁免。部分应用领域的无铅化替代会是未来电子工业材料产业化应用的新赛道，目前全球无铅压电材料的市场规模正以20.8%的年均复合增长率高速增长，并有望在2024年超过4亿美元 [1] 。
近些年来，无铅压电材料的研究数不胜数，其中铌酸钠钾压电材料（K 1-x Na x NbO 3 ，简称KNN）由于其较高的压电系数和居里转变温度，显现出它巨大的发展潜力。田浩教授和周忠祥教授研究团队创新性地利用单晶生长过程中的成分梯度，生长出了具有可控成分梯度的高质量KNN单晶，晶体材料在1kV/mm的电场强度下具有高达0.9%的应变表现，实现了高达9000pm/V的大信号压电系数（图1）。此外，晶体的压电性能在25°C至125°C的范围不随温度减弱，显示出优异的温度稳定性，整体性能远远优于铅基单晶。
研究团队通过原位高能X射线衍射证实此高压电性能源于非180°电畴的翻转（图2）。通过对沿成分梯度的系列晶体进行分区域的电畴和极化特性观察，研究团队发现超大压电响应只存在于钾/钠比为43/57的晶体材料附近，该区域电畴结构呈现复杂的人字形（图3）。
图1.KNN晶体材料（KNN43）的压电性能。A室温下KNN43晶体的电致应变及与其他铅基材料的比较；B不同材料d 33 *的温度依赖性。
图2.晶体的原位倒易空间图。A初始状态下数据采集几何空间示意图，倒空间中的hk和hl平面；B和C电场作用前后的302衍射峰变化；D和E电场作用前后的310衍射峰变化。
图3.KNN晶体的压电性能与畴结构。A 压电系数d 33 随钾含量的变化；B KNN晶体；C 宏观自发极化方向随成分变化示意图；不同K含量晶体（D 0.37，E 0.43和F 0.45）的电畴结构；G由组分梯度诱导的电畴翻转回复力示意图。
我校胡程鹏博士、孟祥达博士和清华大学的硕士毕业生张茂华为该论文共同第一作者。参与此研究的合作者还包括澳大利亚新南威尔士大学John E. Daniels教授、美国宾夕法尼亚大学曹文武教授、哈尔滨工程大学李立教授和天津大学吕且妮教授等。本研究工作得到了国家自然科学基金委等项目的支持。
此外，今年1月田浩教授和博士生王宇与西安交通大学李飞、徐卓教授、美国宾州州立大学陈龙庆教授等研究团队合作，在《Nature》报道了关于透明高性能压电材料研究的最新成果。研究团队通过交流极化的方法制备出了同时具有高压电和电光效应以及接近理论极限透光性的弛豫铁电单晶（Transparent ferroelectriccrystals with ultrahigh piezoelectricity，Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1891-y）。
论文链接： https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay5979
参考文献：[1] M. Gagliardi, Am. Ceram. Soc. Bull. 99,7 (2019).
