美国科学家的一项最新研究，为弛豫铁电体材料（relaxor ferroelectric）对机械压力或电压的极度敏感性找到了相应的解释。研究人员认为，对弛豫铁电体材料敏感度的控制和“裁剪”能力将有助于提升一大批工业设备的性能，比如医学超声波成像仪器、扩音器、声纳以及计算机硬盘等。相关论文5月11日在线发表于《自然—材料学》上。

 

弛豫材料是一类固体压电材料，它们会在端电压存在时改变形状，或者在受到挤压时产生电压。美国国立标准化与技术研究所（NIST）的Peter Gehring解释道，“弛豫材料的敏感度高出其他任何已知的压电材料10倍”，它们可以实现机械能和电能的低损转换，因此极为有用。

 

Gehring和领导最新研究的美国Brookhaven国家实验室Guangyong Xu以及约翰•霍普金斯大学的科学家一道，利用NIST的中子散射设备，研究了弛豫铁电体材料系统内部的原子“声振动”（acoustic vibrations），如何响应外部施加的电压。结果发现，内在混乱状态是造成弛豫材料特殊性质的显著因素。对此次研究而言，这种混乱是由三种带不同电荷的元素——锌、铌和钛的原子晶格随机交替引起的。

 

固体中的原子通常都是以完美的晶格排列，它们在这些位置的附近振动，并以声波的形式传播能量。在典型的压电材料中，这些声振动持续很长时间，就像石头投入湖中激起的层层波纹。而在弛豫铁电体材料中，情况大不相同：声振动很快就会消失。最新研究发现，弛豫铁电体中特有的极性纳米区（PNR，它对铁电体的介电性质起重要作用）会极大地影响材料自身的化学结构，PNR与声子传播也有很强的相互作用。研究小组对比了声子在不同方向的传播形式，并观测到PNR会导致弛豫材料晶格在外电压作用下，表现出很大的非对称性。

 

Gehring说，“我们认识到，晶格的内在化学混乱影响着该材料的基本组织和行为。”它破坏了声振动，这造成材料结构的不稳定性，以及对压力和电压的极度敏感。（科学网 任霄鹏/编译）

 

（《自然—材料学》（Nature Materials），doi:10.1038/nmat2196，Guangyong Xu, P. M. Gehring）