来源：材料人

近期，西安交通大学的李飞以及美国宾夕法尼亚州立大学的张树君（Shujun Zhang）等人（共同通讯作者）等人继大幅提升PMN-PT陶瓷材料的压电性能后，又在高性能PMN-PT单晶的制备方面取得了重大突破。研究人员认为，提高PMN-PT陶瓷材料压电性能的方法在PMN-PT单晶上应该同样受用。因此，研究团队从局域结构无序性、MPB以及工程畴结构等三个方面着手，成功提高了弛豫铁电单晶的压电性能。团队在坩埚下降法（Bridgman方法）的基础上发展了一种钐掺杂PMN-PT单晶的制备方法，并且选择Sm_0.01Pb_0.985[(Mg_1/3Nb_2/3)_0.70Ti_0.30]O₃作为组分材料，不仅能够维持斜方/单斜相，还能避免MPB区域出现压电性质较差的正方相。在制备过程中，弛豫铁电体固溶体中组分元素的分离导致制备出的单晶的组成会沿着生长方向进行变化，电子探针显微分析（EPMA）的结果表明钐元素的掺杂不会影响单晶中其他元素的分离特性，即与PMN-PT晶体一样，钐掺杂单晶生长过程中四价钛离子的浓度变化趋势与(Mg_1/3Nb_2/3)⁴⁺的相反。更重要的是，三价钐离子浓度变化趋势也与钛离子相反，而这一现象对单晶的相变和性质变化有着重要的影响。这一制备得到的钐掺杂单晶材料Sm-PMN-PT，其压电常数可以高达4100pC/N左右，介电常数也超过11000，并展示出高度的性能均一性。扫描透射电镜以及第一性原理计算进一步确定这一压电性能的提升来源于由钐离子掺杂引发的加强型局部结构无序性。通过这一工作，研究人员发现稀土元素掺杂是一种能够通过增强结构无序性来提高弛豫铁电晶体压电性能的通用策略。2019年04月19日，相关成果以题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals”的文章在线发表在Science上。

Sm-PMN-PT晶体的数码照片以及电机械性能表征

该工作将钐离子引入进PMN-PT晶体的A位掺杂，造成了对长程铁电畴的破坏，并与工程畴结构以及MPB进行结合，成功制备了具有超高压电常数（3400到4100pC/N）和介电常数（约12000）的单晶材料。这类材料在室温压电领域，尤其是高频医学成像换能器以及低场驱动制动器等方面将会有潜在的应用价值。