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西安交大研究成果在《科学》发表 用于医疗超声换能器的压电材料性能有了大幅提升

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弛豫铁电单晶1997年发现以来,被认为是压电陶瓷问世半个多世纪以来压电材料取得的革命性突破,大幅度提升了压电材料的性能和医疗超声的成像分辨率。然而,随着人们对医疗超声系统精度需求的不断提升,如何进一步提高弛豫铁电单晶的压电和介电性能,成为这20多年来,国内外科学家广泛关注的重要科学问题。近日,西安交大李飞教授和徐卓教授及其合作者在弛豫铁电单晶材料高性能化研究方面取得了重大突破,其研究成果于2019年4月19日在国际权威期刊《科学》上发表。

西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国北卡州立大学等单位合作,设计并生长了钐掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅压电单晶,成功将“增强的局域结构无序性”、“准同型相界”和“工程畴结构”三种高压电效应的起因有机结合,大幅度提高了弛豫铁电单晶的压电和介电性能,压电系数最高达4000皮库伦每牛顿以上,介电常数达12000以上,较之非掺钐的同组分的铌镁酸铅-钛酸铅压电单晶的性能提高约一倍;同时,利用钐元素在晶体生长过程中的分凝特点,优化了单晶棒性能的均匀性(如图所示),为高频医疗超声探头和高精度与大位移压电驱动器奠定了新的压电单晶材料基础。基于第一性原理计算,研究团队还发现,钐掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅晶体相变温度下降很可能是由于钐掺入而随之产生的铅空位所致。这一发现将为今后进一步优化弛豫铁电单晶的综合性能提供理论参考。

西安交大为该文章第一作者单位,李飞教授为该文章第一作者和通讯作者,北卡州立大学马修·卡布拉(Matthew J. Cabral)博士为文章共同第一作者,澳大利亚伍伦贡大学张树君教授为文章的共同通讯作者。论文作者还包括西安交大徐卓教授,美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授、托马斯·施罗特(Tom Shrout)教授以及美国阿肯色大学许彬博士等。

近10年来,西安交通大学电信学部电子陶瓷与器件教育部重点实验室、国际电介质研究中心徐卓教授、李飞教授团队围绕弛豫铁电单晶高压电性的起源与性能优化开展了大量的研究工作。2016年,研究团队在介观尺度上揭示了弛豫铁电单晶高压电效应的机理(自然-通讯, 7, 13807,被ESI数据库收录为高被引文章)。2018年,基于对弛豫铁电单晶压电机理的深刻认识,研究团队提出了通过增强局域结构无序性来进一步提升铁电材料压电性能的理论方法,并在稀土元素钐掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料中得到了实验验证(自然-材料, 17, 349,被ESI数据库收录为热点文章),这些为近期发表在《科学》期刊上的文章奠定了重要的理论和实验基础。

该研究工作得到了国家自然科学基金、111引智计划等项目的支持。

2019-04-19
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