9月11日，機械與動力工程學院前瞻交叉研究中心楊天南副教授在Nature上發(fā)表題為“Ultrahigh electromechanical response from competing ferroic orders”的研究論文，提出了基于極化序構競爭的機電耦合材料設計策略，通過構建反鐵電與鐵電相共存，增強電場誘導的晶格序構響應，實現(xiàn)材料壓電性顯著提高。楊天南副教授為共同第一作者，另兩位共同第一作者為新加坡科技研究局/新加坡南洋理工大學博士生林柏臣、新加坡科技研究局Khuong Phuong Ong研究員，通訊作者為新加坡南洋理工大學Yeng Ming Lam教授與新加坡科技研究局劉華俊研究員。
具有機電耦合的物質可以實現(xiàn)機械能和電能的相互轉換，是換能器和聲學器件應用的關鍵。鐵電材料的極化序構伴隨著較強晶格形變，具有較高的電致伸縮系數(shù)，可望帶來高效的機電響應。通過獲得強烈的結構不穩(wěn)定性，可顯著提高鐵電材料的機電耦合，其傳統(tǒng)方法包括獲得準同型相界與構造納米尺度的結構異質性兩種。本研究提出了一種基于反鐵電和鐵電相競爭的結構不穩(wěn)定性提高材料機電響應的新策略，為機電器件的材料設計提供了新思路。
通過增強結構不穩(wěn)定性提高薄膜機電響應的策略
該策略通過基板限制的對稱性工程，增加鈮酸鈉薄膜反鐵電相的極化自由度，降低自由能密度曲線的曲率，獲得結構不穩(wěn)定性，從而獲得電場誘導的反鐵電-鐵電相變，增強介電響應，實現(xiàn)材料壓電系數(shù)的顯著提高，該策略獲得的鈮酸鈉薄膜表現(xiàn)出超過5000 pm/V的壓電系數(shù)。理論計算進一步揭示了極化反轉的能壘的降低，類似于準同型相界處的熱力學能量函數(shù)，闡明了機電響應過程中相演化的動力學機制。研究展示了通過構建薄膜中反鐵電和鐵電相共存，利用多極性相競爭顯著增強鈮酸鈉薄膜機電響應的策略,提供了基于反鐵電材料實現(xiàn)高性能機電器件設計的有效途徑。
楊天南副教授主要從事鐵性與電介質材料的熱力學、動力學與相場理論研究，致力于推進功能材料的多尺度模型與設計理論發(fā)展，近年來在Nature、Science、Nature Materials等期刊發(fā)表論文80余篇。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07917-9
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