挠曲电效应驱动压电单晶体自极化：机理揭示与可靠性突破

《npj Flexible Electronics》：Flexoelectricity enables piezoelectric single crystals to be self-poled

为应对压电材料在换能器应用中因热退极化导致的性能衰退问题，研究人员针对Mn掺杂0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3单晶开展研究。研究发现晶体内部沿[001]方向的不均匀性可诱导挠曲电效应，从而驱动自发产生净极化，无需传统极化工艺，这有望从根本上解决未来电子应用中的关键可靠性难题。

　　

在当今的传感器、换能器乃至未来的柔性电子器件中，压电材料扮演着至关重要的“能量转换官”角色。然而，这些材料有一个令人头疼的“阿喀琉斯之踵”——热退极化。当工作温度升高，特别是接近材料的居里温度（T_C）时，材料内部精心排列的电畴结构会变得混乱，导致其压电性能大幅下降甚至完全丧失。传统解决方案是对铁电材料施加一个强电场进行人工“极化”，但这不仅工艺复杂、成本高昂，而且经过高温环境后，这种极化状态又会丢失，可靠性成为制约其高端应用的瓶颈。于是，科学家们将目光投向了一种理想的现象——“自极化”，即材料能在不借助外部电场的情况下，自发形成稳定的净极化。尽管在某些薄膜材料中观察到类似现象，但块体铁电材料中自极化的物理机制一直笼罩在迷雾之中，众说纷纭。这背后的奥秘究竟是什么？能否在块体材料中实现稳定可靠的自极化？这项发表在《npj Flexible Electronics》上的研究，为我们揭开了谜题的一角。

为深入探究自极化机制，研究团队主要运用了以下几项关键技术：对锰（Mn）掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）弛豫铁电单晶进行了沿[001]晶体方向的深入分析；利用原位高能同步辐射X射线衍射技术，精准表征了晶体内部沿该方向的晶格参数、热膨胀系数以及相变温度的空间分布不均匀性。

研究结果

1. 沿[001]方向的不均匀性

通过高分辨率X射线衍射分析，研究人员发现，在Mn掺杂的0.71Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃?0.29PbTiO₃单晶中，晶格常数、热膨胀系数以及从铁电相到顺电相的相变温度，都沿着[001]晶体学方向呈现梯度变化。这种不均匀性并非缺陷，而是晶体生长过程中引入的固有特征。

2. 高于T_C的非中心对称态

通常，铁电材料在温度超过居里温度T_C后会转变为具有中心对称结构的顺电相，失去极化能力。但本研究发现，由于上述物理性质的梯度分布，即使温度显著高于宏观测得的T_C，该单晶沿[001]方向仍然能够保持非中心对称状态。这为极化“种子”在高温下的存续提供了可能。

3. 挠曲电效应驱动自极化

当材料中存在应变梯度时，会诱导产生电极化，这种现象称为挠曲电效应。本研究指出，晶体内部的不均匀性导致了应变梯度的存在。在材料冷却通过相变区域时，这种固有的应变梯度通过挠曲电效应，施加了一个内在的、单向的“极化力”，从而引导电畴沿一个优选方向排列，自发形成宏观净极化，即实现了“自极化”。研究还表明，即使在T_C以下，热涨落也能激活这一自极化过程。

结论与讨论

该研究明确了块体铁电单晶中自极化现象的一种核心机制：由材料内部本征的物理性质不均匀性所诱发的挠曲电效应。这种梯度驱动的机制，使得晶体能在高于传统相变温度时仍保持非中心对称性，并在冷却过程中实现电畴的单向排列。这一发现突破了人们对铁电材料极化来源的传统认知，将自极化现象与材料的基本物理性质梯度直接联系起来。其重要意义在于，它指出了一条不依赖复杂外部极化工艺、利用材料自身属性获得稳定压电性能的全新路径。通过材料设计与制备工艺调控内部梯度，有望创造出新一代抗热退极化、高可靠性的“自极化”压电材料，从而彻底解决其在高温或变温环境下应用的可靠性瓶颈，为高性能传感器、换能器及柔性电子器件的未来发展奠定坚实的材料基础。