应变技术解锁三相行为推动更安全的无铅铁电材料发展

　　基于应变的方法成功在铌酸钠中实现三相共存，推动了用于下一代传感器的无铅铁电材料发展。

　　晶体结构中的微小扭转或许将重塑医疗植入体、传感器及下一代电子器件的未来。

　　在一项最终有望将有毒的铅从铁电器件中清除的突破性研究中，科学家们发现了一种方法，能够利用纯粹的机械力而非化学修饰来提升无铅铁电材料的性能。

　　铁电材料驱动的技术正悄然影响着日常生活，其应用范围涵盖红外相机、医疗超声、计算机存储器以及精密执行器。

　　然而，大多数高性能铁电材料都含有铅，这限制了它们在拟用于人体的设备中的应用。

　　过去十年来，全球范围内一直在大力推动寻找不含铅的铁电材料，阿肯色大学杰出物理学教授 Laurent Bellaiche 说道。

　　在原子尺度上，铁电材料的特性由其晶相决定。当一种结构与另一种结构在相界处相遇时，它们最有用的性能会得到增强。

　　长期以来，科学家们通过化学方法在含铅铁电材料中操控这些相界，从而缩小器件尺寸并提升性能。但对无铅材料进行化学调控一直是一个棘手的难题。

　　该团队专注于铌酸钠（NaNbO₃） —— 一种具有出了名的复杂基态结构的柔性无铅铁电材料。他们没有采用化学物质或加热，而是使用了应变 —— 即通过将铌酸钠薄膜生长在原子间距不完全匹配的衬底上所产生的机械力。

　　当铌酸钠的原子拉伸和压缩以模拟底层衬底结构时，该材料会经历应变，从而重塑其内部相。这是一项重要发现，Bellaiche 说。

　　令团队惊讶的是，应变不仅仅将铌酸钠从一种晶体排列转变为另一种。它同时创造了三种相，显著增加了相界的数量，并随之增强了有用的铁电性能。

　　铌酸钠相当了不起的一点是，如果你稍微改变一下长度，其相的变化会非常大，Bellaiche 说。其结果是获得了一种性能增强的无铅材料，为可安全植入人体的铁电器件打开了大门。

　　铁电性最早于1920年发现，其依赖于一种自然的电极化，这种极化即使在外加电场移除后也能被翻转并保持。

　　这些材料同时具有介电和压电特性，使它们能够高效存储能量并将机械运动转换为电信号。所有这些能力在相界处都会增强，这使得同时发现三个相的存在尤为宝贵。

　　在含铅铁电材料中，例如锆钛酸铅，人们可以通过化学方式调整组分，使其恰好处于特定相，Patel 说。

　　但在无铅版本中，高度挥发性的碱金属在化学调控过程中容易蒸发，从而削弱了调控效果。应变技术则完全绕过了这一限制。

　　这些实验在室温下进行，但该团队计划测试铌酸钠在从零下270摄氏度到1000摄氏度的极端条件下是否表现相似。