哈工大物理学院田浩、谭鹏团队在钙钛矿铁电体高度可调压电性能研究方面取得新突破

近日，哈尔滨工业大学物理学院田浩教授、谭鹏副教授与西安交通大学李飞教授、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授合作，在钙钛矿铁电体高度可调压电性能的物理解析方面取得重要进展，研究成果以《钙钛矿铁电体中过渡金属掺杂诱导高度可调压电性能的物理机制》（Deciphering the atomistic mechanism underlying highly tunable piezoelectric properties in perovskite ferroelectrics via transition metal doping）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）。研究团队以钽铌酸钾单晶为基质，通过铁、锰掺杂，揭示了过渡金属掺杂调控本征极化行为和压电性能的途径，为钙钛矿铁电体的策略性设计提供了范例。

压电性是钙钛矿铁电体的关键特性，使其成为宏观到微纳尺度机电系统的核心。以微量过渡金属掺杂和衍生空位为代表的缺陷工程策略在调节压电性能方面展现出巨大潜力。尽管这种方法已被广泛用于材料改性，但对能够积极影响材料性能的缺陷特征仍缺乏全面了解，阻碍着普遍适用的缺陷选择与设计策略发展。以往研究常将改性效果归因于畴壁运动特性的变化，而忽略了过渡金属本身的特性。铁和锰作为最具代表性的受主微量掺杂元素，在铁电材料中掺入后，理论上应表现出相似的改性效果，但实际上对压电性能的影响却大相径庭，表明过渡金属自身特性对本征极化的影响不容忽视。

为深入探究这一问题，研究团队选取正交晶相钙钛矿钽铌酸钾单晶作为研究对象，引入常在“硬性”铁电体中用作掺杂剂的铁和锰元素，从本征极化行为出发，探究了过渡金属掺杂如何调控压电性能。研究表明，尽管铁和锰都以受主掺杂形式进入晶格，但它们诱导的缺陷结构中特定的电子构型对晶格畸变、自发极化取向和局域电荷分布产生了不同的调控作用。这种差异性构建了两种截然不同的极化框架，从而对压电性能产生了显著且多样化的影响。锰掺杂破坏了极化的连续性，引入了显著的局部畸变，使得压电系数大幅提升至1000皮库伦/牛顿（pC/N）以上，是纯钽铌酸钾晶体的两倍。而铁掺杂则增强了极化的有序性，产生了性能“硬化”效果，使机械品质因数较纯钽铌酸钾晶体提高了五倍，达到700。这一鲜明对比充分展示了过渡金属掺杂在钙钛矿铁电体中实现多功能改性的巨大潜力。通过精心选择过渡金属掺杂元素并设计功能性缺陷偶极子，可为钙钛矿铁电体的设计提供丰富的可能性。

哈工大为论文第一完成单位。物理学院谭鹏副教授、黄晓林博士和王宇副研究员为论文共同第一作者。田浩教授、李飞教授、张树君教授为共同通讯作者。

该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划、黑龙江省自然科学基金等项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54842-6

过渡金属掺杂调控极化结构，展现出多样化压电性能调控能力