极化子-缺陷复合设计实现千赫兹下的超高压电响应。

本报讯 压电材料具有机械能与电能之间可逆转换的特性，在微机电系统、高精度驱动器、超声换能器等关键领域具有广泛应用价值。探索高性能压电材料体系与新型压电机制协同突破应变幅度与响应速度之间的固有权衡关系，是当前压电功能材料研究的核心前沿方向。

围绕这一关键科学挑战，近期，清华大学材料学院李敬锋教授团队联合西安交通大学等单位在钙钛矿结构铌酸银基无铅铁电薄膜中首次发现超高压电响应特性：在直流偏压与交流激励协同作用下，其有效压电系数可达7170皮米每伏特，对应电致应变高达6.2%；即便在10千赫兹更高频激励下，仍保持超过1000皮米每伏特的有效压电系数。同时，薄膜可稳定循环超过4000万次，未观察到明显的时间依赖漂移，展现出优异的疲劳稳定性。

结合多尺度实验表征与理论计算，研究团队揭示了该超高压电性的微观物理机制：电子小极化子与晶格缺陷发生电学-弹性耦合，形成极化子-缺陷（polaron-defect，PD）复合体。在外加偏压下，局域电子以小极化子形式在相邻晶格位置间定向跃迁，使PD复合体重构，从而产生较大的缺陷极化；叠加交流电场后，极化子快速往复跃迁，使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制。该极化调制通过改变局域晶格畸变的各向异性进一步转化为宏观应变，从而实现大电致应变与快速动态响应的协同。

研究团队进一步将该设计策略拓展至具有中心对称、非钙钛矿结构的铌掺杂二氧化钛薄膜中，薄膜在1千赫兹下同样获得超过1000皮米每伏特的有效压电响应，显示出极化子-缺陷复合体设计向其他材料体系拓展的潜力。

研究展示了一种兼具高机电响应与快速动态特性的无铅功能薄膜材料，更揭示了极化子-缺陷协同调控机电响应的新机制，为高性能压电材料设计提供了新的思路。

研究成果以“极化子-缺陷复合实现超高压电性”为题，在线发表于《科学》（Science）期刊。

李敬锋、西安交通大学教授武海军、清华大学材料学院副教授李千和北京科技大学教授徐坤为论文共同通讯作者，清华大学材料学院博士后舒亮、西安交通大学博士生彭古扬为共同第一作者。

（材料学院）