壓電材料是一種能夠實現電-聲訊號轉換的智慧材料，廣泛應用於超聲、水聲、電子、自控、機械等諸多領域。然而，由於高效能壓電材料，如：Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程疇結構的PMN-PT單晶材料，其內部存在大量的鐵電疇壁和晶界（對於陶瓷而言），通常在可見光波段是不透明的。這一問題長期阻礙了人們試圖將可見光耦合到高效能壓電器件中的設想。

2020年01月16日，Nature雜誌線上發表一篇題為“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity ”的研究論文，報道了來自西安交通大學李飛、徐卓教授和美國賓州州立大學陳龍慶教授研究團隊關於透明高效能壓電材料研究的最新成果。研究團隊通過交流極化的方法制備出了同時具高壓電和電光效應，以及接近理論極限透光性的弛豫鐵電單晶。這類晶體的機電耦合係數k33為94%，壓電係數d33大於2100 pC N-1，並且具有優異電光效能（γ33: ~ 220 pm V-1）。研究團隊同時還發現，在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）晶體中，減小疇壁密度（或增大電疇尺寸）可使晶體壓電和介電效能大幅增加，挑戰了人們長期以來由於鈦酸鋇晶體研究工作而形成的高疇壁密度產生高壓電效應的傳統認識，為今後壓電材料設計提供了思路。

在本次工作中，研究團隊首先通過相場模擬（採用商業軟體Mu-PRO 完成，http://mupro.co/contact/），研究了[001]取向的三方相PMN-PT晶體在受到交流和直流電場作用時，晶體中鐵電疇的變化情況。如圖1所示，未極化晶體包含了所有八種三方相鐵電疇，其自發極化分別沿8個不同的<111>方向。當給晶體載入[001]方向直流電場時，其中四種極化方向沿[111]、[111]、[111]和[111]的電疇將翻轉到[111]、[111]、[111]、[111]方向。此時，晶體電疇結構變為一種層狀結構，層與層之間由一系列平行於(001)晶面的109o疇壁分隔；且在每一層中又存在與{011}面基本平行的71o疇壁。在這些疇壁中，109o疇壁對晶體透光率沒有影響，而71o疇壁對光線有散射作用，因而將影響晶體的透光性。令人感到意外的是，當晶體受到交流電場作用時，晶體中71o疇壁在逐漸消失，導致每一層中的鐵電疇尺寸逐漸增大。這一模擬結果表明，利用交流電場來處理[001]取向的弛豫鐵電單晶有望大幅提高其透光性。

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圖1.直流和交流電場極化後[001]取向PMN-28PT單晶的疇結構及其演化過程的相場模擬結果。a, 未極化、直流和交流極化樣品的疇結構。黑色和白色箭頭分別表示極化方向沿[100]方向的分量為正和負。b, 交流極化過程中，鐵電疇結構的演化圖。初始狀態下（電場E = 0.0 kV cm-1）的樣品為直流極化後的晶體。藍色和紅色的箭頭表示所施加的沿[001]和[001]方向的電場。模擬尺寸為512 nm × 512 nm。

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在相場模擬基礎上，研究團隊對三方相PMN-28PT單晶開展了深入的實驗研究工作，首先證實了交流電場確實有助於消除晶體中的71o疇壁。進而，課題組優化了單晶的表面處理和極化工藝，幾乎完全消除了晶體中的71o疇壁（如圖2所示），獲得了具有接近完美透光性的高效能弛豫鐵電單晶材料。同時，相比於傳統方法極化的單晶，由於71o疇壁的消失，該晶體的壓電係數提高了超過30%，雙折射率提高了一個數量級（如圖3所示）。

圖2 . [001]取向PMN-28PT單晶疇結構的雙折射率成像結果（BIM）。圖中顏色表示鐵電疇光率體主軸在(001)面上的投影方向，即其光率體的主軸在(001)面的投影與[100]方向的夾角。紅色和藍色分別表示光率體主軸在(001)面投影[110]和[110]方向，即45°和135°。

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圖3. 交流極化與直流極化PMN-28PT單晶效能比較。a，直流極化與交流極化PMN-28PT單晶的實物照片。b，直流極化與交流極化PMN-28PT單晶的光透過率曲線。c, 直流極化與交流極化PMN-28PT單晶的壓電係數d33與雙折射率。

最後，研究團隊利用相場模擬方法，計算了不同的71o疇壁密度與壓電效能的關係。模擬結果顯示，隨著71o疇寬度的增大，晶體的自由能曲線逐漸平緩化（圖4 d），導致了介電/壓電效能提升（圖4e & f），這與PMN-28PT晶體的實驗結果完全吻合。

圖4. 相場模擬下疇尺寸對PMN-28PT單晶極化、自由能密度以及效能的影響。a, 具有不同71o疇壁密度的[001]極化PMN-28PT單晶電疇結構二維示意圖。圖中，D71表示相鄰71o疇壁之間的距離。Inf. 表示體系中沒有71o疇壁的存在。不同顏色極化向量的方向在圖右側給出。b, 71o疇壁附近極化向量分佈示意圖（圖a中綠線所示位置），箭頭顏色代表極化向量與[011]方向的夾角。本圖為D71=64 nm時的情況。c, 鐵電疇自發極化分量Px ([100]), Py ([010])和Pz ([001])的平均大小隨D71的變化。紅線表示整體極化強度和[111]方向夾角隨D71的變化。d，體系的平均自由能密度相對於Pz的變化。選取穩態下（即∆P = 0）的平均自由能密度作為參考值。e, 介電常數（ε33 /ε0）與D71的關係。f，d33與D71的關係。

這項研究工作所獲得的透明壓電晶體將有效地推動聲-光-電多功能耦合器件的設計與開發，例如：透明觸覺感測器、具有能量收集功能的透明壓電觸控式螢幕、用於光聲成像的高效能透明超聲換能器等。

論文第一作者包括西安交大電信學部邱超銳博士、張楠教授以及美國賓州州立大學王博博士。西安交大李飛教授和徐卓教授及美國賓州州立大學陳龍慶教授為論文通訊作者。澳洲伍倫貢大學張樹君教授在實驗設計方面做出了重要貢獻。參與本項工作的還包括美國賓州州立大學Tom Shrout教授、哈爾濱工業大學田浩教授和王宇博士，西安交大劉金鳳碩士，以及英國華威大學David Walker博士等。