上海硅酸盐所等发现铁电材料电致应变新模式

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所、福建物质结构研究所和澳大利亚皇家墨尔本理工大学的联合研究团队在铁电陶瓷的电致应变研究方面取得重要进展。研究人员通过放电等离子体烧结和传统固相烧结相结合的方式制备了显微结构各异的钨酸铋铁电陶瓷，并在织构化钨酸铋陶瓷中首次观察到奇异的回线形应变曲线，最大表观应变高达0.75%，同时具有良好的循环稳定性，优于绝大多数无铅铁电体。值得注意的是，该回线形应变曲线不同于传统硬性掺杂陶瓷材料中观察到的不对称应变-电场曲线，其不对称方向并不会随着样品的翻转而反转。通过对测试系统和测试条件的反复验证，结合压电响应力显微镜观察和X射线光电子能谱分析，研究人员揭示出该奇异的应变曲线源于陶瓷材料上下表面90°铁弹畴的不对称翻转引起的可逆弯曲变形。该发现不仅为阐明不对称应变曲线的物理起源提供了新见解，而且为压电驱动器件的设计提供了新思路。

电致应变是指电介质在电场作用下发生弹性形变的现象，这种效应一般比较微弱，但对于铁电材料而言，其电致应变常可达到较高数值(10^-3数量级)，在高技术领域具有广泛应用。铁电材料的电致应变主要来源于本征应变（电致伸缩与压电响应）和非本征应变（畴反转与相转变）的叠加。为提升铁电材料的电致应变，研究者普遍采用晶体结构调控以及准同型相界设计等策略提升样品的机电响应特性，实验测量中常观察到典型的蝴蝶形应变-电场曲线，对应于材料沿厚度方向的伸缩形变，偶有不对称应变-电场曲线则多归因于缺陷或内偏场的影响。

相关研究成果以“Giant electromechanical response in layered ferroelectrics enabled by asymmetric ferroelastic switching”为题发表于Materials Today期刊。论文第一作者为何祥博士，通讯作者为易志国研究员。相关工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、福建省自然科学基金、中国科学院前沿科学重点项目和中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.07.010

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