壓電材料是一種智能材料，能夠實現機械信號與電信號的轉換，以及產生電驅動的聲波發射和功率輸出，廣泛應用于電子、自控、機械、航空航天等諸多領域。壓電材料的優劣，直接決定了醫用B超、艦船聲吶等機電系統的性能，因此科學家們孜孜不倦地探索具有更高壓電性能的新材料。

近日，Nature Materials期刊（影響因子39.7）以“設計具有高壓電效應的鐵電陶瓷材料”為題發表了西安交大電信學院電子科學與技術系教師李飛副教授及其合作者的一篇研究論文，報道了他們在高性能壓電陶瓷的設計合成方面取得的重大突破。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0034-4

基于唯象理論和相場模擬，李飛及其合作者們提出了一種新的設計策略（圖一），即：通過引入局部異質結構來操縱界面能并改變鐵電材料的平均自由能曲面，從而進一步提升材料壓電性能。

圖一 引入局部異質結構來提升性能的設計思路和相場模擬結果

研究團隊成功合成出了稀土元素Sm摻雜的Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3（Sm-PMN-PT）壓電陶瓷，獲得高達1500 pC/N的壓電系數（圖二），介電常數超過13000，居里溫度為89℃。

圖二 稀土元素Sm摻雜提升PMN-PT陶瓷壓電系數的實驗結果

通過低溫介電性能、同步輻射X-射線衍射和高分辨球差電鏡實驗（圖三），研究團隊進一步驗證了Sm摻雜PMN-PT陶瓷高壓電效應與局域結構的關系。這一研究工作為高性能壓電材料設計提供了一種新的思路和范例，可能用于諸多功能材料的設計合成中。

圖三 高分辨球差電鏡驗證了Sm-PMN-PT陶瓷在納米尺度上結構的不均勻性

Nature Materials同時還以“通過增強（結構）無序性獲得超高壓電性”為題刊發了歐洲科學家Barbara Malic教授及其合作者（現任斯洛文尼亞Jozef Stefan研究院電子陶瓷研究部主任）對這個重大突破的評價：“引入化學和結構的局部無序，結合相場模擬和實驗，發現稀土摻雜能增強PMN-PT的無序，使能量曲線扁平化，在Sm摻雜的成分中獲得了1500 pC/N的壓電系數，這是目前已知壓電陶瓷的最高性能” “可以設想在低成本和大規模生產的前提下，用這種陶瓷來替代壓電器件中的單晶，并獲得可以比擬的性能”。對該工作的學術意義和實際應用價值給出了高度贊許。

目前，該工作已被包括美國能源部網站、pro-physik、Phys.org等多家科技學術網站進行了跟蹤報道。課題組與中國科學院深圳先進技術研究院、美國南加州大學合作，已利用新開發的壓電陶瓷設計并制作了40MHz高頻超聲換能器探頭，如圖四所示。相比于利用傳統P5H陶瓷和PMN-PT單晶制作的超聲換能器，該換能器具有更大的成像帶寬（80%）和更高的成像靈敏度（-13dB），在高分辨醫學成像領域中展現出應用潛力。

圖四 a 高頻超聲換能器原理圖及實物照片 b 超聲換能器性能參數。數據源于：IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 65(2), 223-230 (2018).

李飛本科、博士均畢業于西安交通大學電信學院電子科學與技術系，是電子陶瓷與器件教育部重點實驗室和國際電介質研究中心的學術骨干，承擔了多項國家自然科學基金的研究任務，目前在美國賓夕法尼亞州立大學開展學術研究工作。該工作是由一個國際化的研究團隊通力協作而完成，包括美國賓夕法尼亞州立大學、澳大利亞悉尼大學和澳大利亞伍倫貢大學。論文的共同通訊作者是李飛副教授、美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授以及澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授。論文作者還包括電信學院徐卓教授和西安交大畢業的林大斌博士和李純純博士。