研究发现了传统铁电体的高性能替代品

点燃燃气烤架、产生超声波、使用超声波牙刷——这些动作都需要使用能够将电压转化为形状变化和反之的材料。

压电特性是指在机械应力和 电荷 可广泛应用于下一代电子产品的电容器、执行器、换能器和加速度计、陀螺仪等传感器。然而，将这些材料集成到微型系统中一直很困难，因为机电活性材料在亚微米级（厚度仅为几百万分之一英寸）往往会被其所附着的材料“夹紧”，从而大大降低其性能。

莱斯大学的研究人员和加州大学伯克利分校的合作者发现，一类被称为反铁电体的机电活性材料可能是克服微型机电系统中因夹紧而导致的性能限制的关键。

一项新研究 发布 在 自然材料 报道称，一种模型反铁电系统，锆酸铅（PbZrO₃这种新型压电薄膜即使在厚度仅为 100 纳米（即 4 百万分之一英寸）的薄膜中也能产生比传统压电材料高出五倍的机电响应。

“我们使用压电材料已有几十年了，”莱斯大学材料科学家、这项研究的通讯作者莱恩·马丁 (Lane Martin) 说道。“最近，人们强烈希望进一步将这些材料集成到新型微型设备中，比如手机或电脑中的微芯片。问题是这些材料在如此小的规模下通常不太实用。”

根据目前的行业标准，如果材料在电场作用下能发生 1% 的形状变化（或应变），则认为其具有非常好的机电性能。例如，对于长度为 100 英寸的物体，长度增加或缩短 1 英寸代表应变为 1%。

“从材料科学的角度来看，这是一个重大的反应，因为大多数硬质材料只能发生百分之几的变化，”罗伯特·A·韦尔奇教授、材料科学和纳米工程教授兼莱斯先进材料研究所所长马丁说。

当传统 压电材料 当电子器件被缩小到小于一微米（1,000 纳米）尺寸的系统时，它们的性能通常会由于基底的干扰而显著下降，这会削弱它们响应电场改变形状的能力，或相反，响应形状改变而产生电压的能力。

据马丁介绍，如果将机电性能以 1-10 的等级进行评级（其中 1 表示最低性能，10 表示 1% 应变的行业标准），那么夹紧通常预计会使传统压电材料的机电响应从 10 降至 1-4 的范围。

“要了解夹紧如何影响运动，首先想象一下坐在飞机中间的座位上，两边都没有人——如果你感到不舒服、过热等，你可以自由调整位置，”马丁说。“现在想象同样的场景，只不过你坐在莱斯大学橄榄球队两名高大的进攻锋线队员之间。你会被‘夹’在他们中间，以至于你无法根据刺激做出有意义的调整。”

研究人员想要了解反铁电体薄膜（由于缺乏该材料的“模型”版本及其复杂的结构和特性，直到最近这类材料仍未得到充分研究）如何响应电压改变其形状，以及它们是否同样容易受到夹紧的影响。

首先，他们生长了模型反铁电材料 PbZrO 的薄膜₃ 非常仔细地控制材料厚度、质量和方向。接下来，他们进行了一系列电气和机电测量，以量化薄膜对应用的响应 电压。

马丁研究小组的博士后研究员、这项研究的主要作者潘浩说：“我们发现反铁电材料薄膜的响应比传统材料类似几何形状的响应大得多。”

测量如此小尺度的形状变化并非易事。事实上，优化测量装置需要大量劳动力，研究人员在 单独出版。

“通过完善的测量装置，我们可以获得两皮米的分辨率，大约是千分之一纳米，”潘说。“但仅仅显示发生了形状变化并不意味着我们了解发生了什么，所以我们必须解释它。这是首批揭示这种高性能背后机制的研究之一。”

在麻省理工学院合作者的支持下，研究人员使用最先进的透射电子显微镜实时以原子分辨率观察纳米级材料的形状变化。

“换句话说，我们观察了机电驱动的发生过程，因此我们可以看到大形状变化的机制，”马丁说。“我们发现，电压会引起材料晶体结构的变化，就像构成材料的基本构建单元或单一类型的乐高积木。在这种情况下，乐高积木在施加电压后可逆拉伸，从而产生巨大的机电响应。”

令人惊讶的是，研究人员发现夹紧不仅不会影响材料性能，而且实际上还会增强其性能。他们与劳伦斯伯克利国家实验室和达特茅斯学院的合作者一起，通过计算重建了该材料，以便从另一个角度了解夹紧如何影响施加电压下的驱动。