一、文章内容
1. 研究背景
具有机电耦合效应的材料在能量转换、传感器和驱动器等领域有着广泛的应用。传统的压电材料通常依赖于强结构不稳定性来实现高机电响应，主要通过两种策略实现：一是通过组成调控实现的相界（MPB）；二是通过纳米尺度结构异质性。然而，这些方法在提升压电性能上已逐渐接近极限。本研究提出了一种新的策略，通过在钠铌酸盐（NaNbO₃，简称NNO）薄膜中引入竞争的反铁电（AFE）和铁电（FE）序，实现了超高的压电响应，有效压电系数d*₃₃超过5000 pm/V，为设计高性能机电耦合材料提供了新思路。
2. 研究方法
研究团队通过高温固相反应法制备了NNO陶瓷靶材，并利用磁控溅射技术在Nb掺杂的SrTiO₃（111）单晶衬底上生长了200 nm厚的NNO薄膜。通过同步辐射X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、压电力显微镜（PFM）等技术对薄膜的晶体结构、表面形貌和铁电性能进行了详细表征。此外，利用激光多普勒振动仪测量了薄膜在交流电场下的表面位移，以评估其压电性能。为了深入理解材料的微观结构和性能之间的关系，研究团队还进行了第一性原理计算和相场模拟。
3. 实验结果
晶体结构：XRD结果显示，NNO薄膜中同时存在正交相（P相）和三方相（N相），且两相均为外延生长，具有良好的晶格匹配。N相具有R3c结构，P相具有Pbcm结构，两相的比例约为1:3。高分辨率TEM图像进一步确认了两相的存在，并揭示了其原子排列的差异。
铁电性能：通过测量P-E回线，发现NNO薄膜在低电场下表现出铁电特性，最大剩余极化Pr约为13.6 μC/cm²。随着电场的增加，薄膜发生AFE-FE相变，饱和极化达到34.6 μC/cm²。PFM实验表明，NNO薄膜的FE畴可以被外部偏压写入和切换，进一步证实了电场诱导的相变。
压电性能：在300 kV/cm的电场下，NNO薄膜的有效压电系数d*₃₃达到5024 pm/V，电场诱导的应变约为2.5%。随着频率的降低，薄膜的位移增加，有效压电系数在200 Hz时可达到18400 pm/V，应变高达9.2%。相场模拟结果表明，应变的变化与实验测量结果一致，且在AFE-FE相变过程中应变显著增加。
二、创新点
1. 新的结构不稳定性策略
本研究通过引入竞争的AFE和FE序，实现了钠铌酸盐薄膜的超高压电响应。这种策略与传统的相界调控和纳米结构异质性不同，为设计高性能压电材料提供了新的思路。
2. 高压电系数的实现
通过精确控制薄膜的生长条件和电场诱导的相变，NNO薄膜实现了超过5000 pm/V的有效压电系数，这一数值远高于传统压电材料，为高性能机电耦合器件的开发提供了可能。
3. 相场模拟与实验结果的一致性
通过相场模拟，研究团队成功预测了NNO薄膜在电场作用下的微观结构演变和应变响应，模拟结果与实验数据高度一致，为理解材料的压电机制提供了理论支持。
三、结论
本研究通过在钠铌酸盐薄膜中引入竞争的反铁电和铁电序，实现了超高的压电响应。通过精确的材料设计和实验验证，研究团队展示了这种新型薄膜在机电耦合器件中的巨大潜力。这种基于竞争铁电序的设计策略不仅为高性能压电材料的开发提供了新的方向，也为其他多功能材料的设计提供了新的思路。未来，这种高性能的钠铌酸盐薄膜有望在微机电系统（MEMS）、超声成像和能量转换等领域得到广泛应用。
