西安交大發(fā)現(xiàn)提高壓電晶體性能的新方法

壓電晶體是用以檢測振動的多種傳感器的關(guān)鍵組分，可以在水下聲納和醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)中找到它們。根據(jù)西安交通大學(xué)的一個研究團隊的說法，通過添加微量的稀土元素，這些晶體的性能可以顯著提高。

壓電材料可以將機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，反之亦然。目前，最先進的壓電器件通常使用一種稱為PMN-PT的鈣鈦礦氧化物晶體，在效率方面它優(yōu)于其他常見壓電材料三倍左右。然而，研究人員表示，盡管進行了大量的研究，但在過去20年里，在改善這些晶體性能方面的進展一直很緩慢。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在PMN-PT中加入相對少量的釤——約每一千個母體晶體原子中加入一個釤原子——可以大大提高其性能。他們說，普通的PMN-PT晶體每牛頓力能產(chǎn)生約1200到2500皮庫倫的電荷，但這種新的摻雜晶體每牛頓能產(chǎn)生3400到4100皮庫倫的電荷。

研究人員發(fā)現(xiàn)，釤原子使PMN-NT的有序晶體結(jié)構(gòu)在原子和納米尺度上變得更加不均勻。這進而破壞了其偶極矩——材料中電荷極化的點——的有序排列。這項研究的主要作者李飛教授說，這種破壞使晶體“對施加的電場更加敏感，反應(yīng)更靈敏，從而導(dǎo)致高壓電性”。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，釤摻雜可以抵消晶體生長過程中電學(xué)性質(zhì)的變化，從而使整個晶體的壓電性能更加均勻。他們指出，摻雜還導(dǎo)致可以產(chǎn)生出更大的晶體，這可能有助于降低生產(chǎn)成本和減少浪費。

研究人員表示，他們的工作有望帶來分辨率、靈敏度和效率更高的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備以及可用于各種工業(yè)應(yīng)用的更強大的壓電執(zhí)行器。他們的研究成果發(fā)表在了在4月19日的Science上，文章標(biāo)題為“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3singlecrystals”。這一研究是西安交大研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、美國北卡州立大學(xué)等單位合作開展的。