任晓兵课题组发现增强弛豫铁电体性能的新机制

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西安交大前沿科学技术研究院多学科材料研究中心博士生杨阳和青年教师纪元超副教授在任晓兵教授指导下，首次发现了一种能有效增强弛豫铁电体性能的机制，为设计高性能弛豫铁电体材料提供了一种全新思路。该项成果于9月24日在物理学旗舰期刊《物理评论快报》发表。
       铁电材料是一类重要的功能材料，已经被广泛应用在航空、航天、通信、国防等高科技领域，年产值己达数百亿美元。铁电材料由于发生了从顺电相到铁电相的相变，导致其微观尺度上具有微米铁电畴、宏观尺度上具有铁电性。不同于传统的铁电材料，弛豫铁电材料是一种微观尺度上具有纳米极性微区（PNRs）而宏观尺度上呈现为“顺电相”的材料。由于其与众不同的宏观/微观结构，弛豫铁电材料具有在宽温域下高介电性能和窄滞后电致伸缩等性能，有望在微位移器、传感器、储能器等应用领域引起革命式的变革。然而，由于宏观尺度上表现为单一“顺电相”的特征，迄今为止，人们没有发现一种能有效增强弛豫铁电体性能的机制，使得弛豫铁电体材料的发展研究陷入了瓶颈。

弛豫铁电

       杨阳和纪元超等人首次在弛豫铁电体体系中提出了一种全新的物理概念——准同型弛豫体边界（Morphotropic Relaxor Boundary，MRB），并发现其能够数倍增强弛豫铁电体性能。具体表现为：在报道的铌酸钾钠—钛酸钡（KNN-BT）弛豫铁电体体系中，跟非MRB成分相比，MRB成分实现了在超过100摄氏度的宽温域范围内，近1.5倍的介电性能增强以及近3倍的电致伸缩效应的增强。MRB增强弛豫铁电体性能机制，类似于传统铁电材料中的准同型相界增强机制。论文作者发现弛豫铁电体虽然宏观上表现为单一“顺电相”的特征，但是微观尺度上具有不同晶体对称性的PNRs，即存在四方弛豫铁电体（T relaxor）和三方弛豫铁电体（R relaxor）。然后，作者利用的PNRs能够具有不同的对称性，构建MRB，从而在MRB成分处实现了增强弛豫铁电体性能的目标。
       此项成果为开发高性能弛豫铁电体材料提供了新原理和新方法。以上研究成果发表在物理学旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上（影响因子9.227）。据悉，这是任晓兵教授团队以西安交大为第一作者单位及通讯作者单位在《物理评论快报》发表的第8篇文章。该研究成果第一作者为西安交大前沿院博士生杨阳，通讯作者为纪元超副教授，西安交通大学为该论文的唯一通讯单位。
       原文链接：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.123.137601
       9月26日，中国科技网·科技日报对研究结果予以报道，报道链接为http://www.stdaily.com/index/kej ... ontent_795091.shtml


        弛豫铁电体
       铁电体中的一类称之为弛豫铁电体。其典型的例子为铅基复合钙钛矿型弛豫铁电体：如掺杂有钛化铅的铅镁铌系PbMg1/3Nb2/3O3（简记为PMN)和铅锌铌系PbZn1/3Nb2/3O3(简记为PZN)。弛豫铁电体的宏观响应类似于非线性顺电体(Jiang 等,1980;Winzer等,1989)。该类材料介电常数高、电致伸缩效应大、且无电滞回线，从而在微定位器、致动器及机敏结构等领域有着广阔的应用前景(Cross 等,1980:李龙土,1992)。钙钛矿原子模型的结构通式可用ABO3表示。其中A离子和氧离子共同形成立方密排堆积，尺寸较小而电价较高的B离子处于氧八面体间隙。在复合钙钛矿化合物这个大家族中，有畴变铁电体、反铁电体和弛豫铁电体。与畴变铁电体相比，弛豫铁电体最基本的介电性能特征是：(1)弥散相变:铁电顺电相变为渐次进行，并非1个突变过程。因此没有确定的居里温度(Tc)，而以最大介电常数对应的温度(Tm)作为特征温度。(2)频率色散:在Tm以下，随着频率的增加，介电常数下降、损耗增加、介电峰和损耗峰向高温方向移动。


       纪元超，2015年10月加入西安交通大学前沿科学技术研究院多学科材料研究中心。主要致力于研究各种智能材料（包括形状记忆合金、铁电压电材料、磁致伸缩材料），兴趣包括应变玻璃、无铅压电等基础与应用的研究。以第一作者或者通讯作者身份在SCI国际期刊发表多篇论文，并参与撰写专著。
      
       任晓兵，西安交通大学教授，是智能及功能材料方面的国际知名学者。主要致力于对温度、力、电、磁等外界环境响应的智能材料研究。在形状记忆合金、铁电/压电材料、铁磁/磁致伸缩材料等多个领域都取得了重要成果。这些不同类型的材料虽然原本属于不同专业领域的研究对象，但是任晓兵教授采取了一种独特而强大的整体研究方法，从而解决了许多长期悬疑未决的重要的问题。这一跨学科研究风格使来他率领的研究团队在世界上独具特色。近年来他的团队在铁性玻璃、高性能无铅压电材料等方向的研究成为智能材料领域研究新热点。