西安交大发现提高压电晶体性能的新方法

压电晶体是用以检测振动的多种传感器的关键组分，可以在水下声纳和医学超声成像系统中找到它们。根据西安交通大学的一个研究团队的说法，通过添加微量的稀土元素，这些晶体的性能可以显著提高。

压电材料可以将机械振动转化为电信号，反之亦然。目前，最先进的压电器件通常使用一种称为PMN-PT的钙钛矿氧化物晶体，在效率方面它优于其他常见压电材料三倍左右。然而，研究人员表示，尽管进行了大量的研究，但在过去20年里，在改善这些晶体性能方面的进展一直很缓慢。

现在，科学家们已经发现，在PMN-PT中加入相对少量的钐——约每一千个母体晶体原子中加入一个钐原子——可以大大提高其性能。他们说，普通的PMN-PT晶体每牛顿力能产生约1200到2500皮库伦的电荷，但这种新的掺杂晶体每牛顿能产生3400到4100皮库伦的电荷。

研究人员发现，钐原子使PMN-NT的有序晶体结构在原子和纳米尺度上变得更加不均匀。这进而破坏了其偶极矩——材料中电荷极化的点——的有序排列。这项研究的主要作者李飞教授说，这种破坏使晶体“对施加的电场更加敏感，反应更灵敏，从而导致高压电性”。

科学家们还发现，钐掺杂可以抵消晶体生长过程中电学性质的变化，从而使整个晶体的压电性能更加均匀。他们指出，掺杂还导致可以产生出更大的晶体，这可能有助于降低生产成本和减少浪费。

研究人员表示，他们的工作有望带来分辨率、灵敏度和效率更高的医学成像设备以及可用于各种工业应用的更强大的压电执行器。他们的研究成果发表在了在4月19日的Science上，文章标题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3singlecrystals”。这一研究是西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国北卡州立大学等单位合作开展的。