铁电畴越小压电性越强吗,压电与声光 _相场为什么没有商业软件

文章插图
压电材料作为传感器，驱动器，换能器的核心材料广泛应用于工业生产，医疗健康，电子信息等多个领域。钙钛矿结构铁电材料具有优异的压电性能，是目前最重要的压电材料体系之一，受到学术界与产业界的广泛青睐。如何进一步提高已知铁电材料的压电性能以及设计研发具有优异综合性能的新材料是铁电压电材料研究中的重要课题之一。
铁电材料中普遍存在由自发极化有序排列而成的电畴和在空间上分隔不同电畴的畴壁。电畴和畴壁的类型，对称性，空间排布，尺寸大小等因素对于铁电材料宏观性能，例如：压电性能和介电性能，会产生显著的影响。这也为利用微观畴结构调控来优化铁电材料宏观性能提供了丰富的可能性。因此，铁电畴结构与压电性能的关系成为了长期以来铁电压电材料领域研究的重点。
经过多年的研究，研究者普遍认为，更小的畴尺寸能够带来更高的压电性能。
形成这一认识有许多因素。早期关于铁电陶瓷材料的研究表明，铁电陶瓷的压电性能很大程度上取决于畴壁在外?。ǖ绯　⒘Τ 。┫碌囊贫ɡ纾篏. Arlt (1987), Ferroelectrics, 76:1, 451-458）。因此，电畴尺寸越?。氡诿芏仍礁? ，铁电陶瓷的压电效应越强。这种观念也在一些单晶铁电材料中得以印证，比如：Wada等人报道了在沿111晶向极化的钛酸钡单晶压电系数d33随电畴尺寸减小而增大，同时大胆预测电畴尺寸在100 nm时，钛酸钡单晶的压电系数d33有望提升2个数量级（S.Wada et al. (2006) Ferroelectrics, 334:1, 17-27）。
基于“铁电畴越?。沟缧栽角俊钡娜鲜?nbsp;，一方面，许多研究者通过精妙的实验设计以减小电畴尺寸，期待获得更好的压电性能；另一方面，人们往往倾向于将表观的压电性能提升归结于微观的畴尺寸的减小，大量的理论研究也致力于厘清为何更小的畴尺寸能带来更高的压电性。
然而，电畴尺寸真的越小越好吗？
从理论上来看，畴壁作为畴与畴之间的过渡区域，处于热力学高能量的状态，因而更容易受外场的影响，表现出更“软”的特性。因此，人们往往容易接受畴壁压电性能远高于畴内部这一观点。然而，对于沿非晶体学极性方向极化的铁电单晶而言，其产生的“工程畴结构”使得各个电畴处于等效的能量状态，在外场驱动下畴壁并不能产生空间位移。这时候畴壁是否能产生更高的压电响应就值得仔细研究了。与此同时，已有一些实验工作表明，电畴尺寸与宏观压电性能之间可能存在反常的关系，即：“铁电畴尺寸越大，压电性越高” 。
那么，铁电压电材料中畴尺寸效应的本质到底是什么？
在最近的工作中，美国宾夕法尼亚州立大学和西安交通大学的研究者们基于热力学分析和相场模拟，详细的研究了以BTO和PZT为代表的铁电单晶中压电系数与电畴尺寸的关系。相场模拟结果表明，与传统认识“相反的”畴尺寸效应，即“畴尺寸越大，压电系数越高”，是完全可以存在的，并且普遍存在于多种铁电晶体中，如图1所示。研究发现电畴尺寸减小是否会带来更高的压电系数取决于诸多因素，包括：电畴结构，铁电相的点群对称性，铁电晶体组分，力、电边界条件等。同时，对于特定的材料体系和畴结构，压电系数与畴尺寸的依赖关系也可以是非单调的，譬如：随着电畴尺寸的减?。?压电效应会出现先增大后减小的趋势，如图2所示。