铁电氧化物材料的挠曲电响应的产生机理研究

Because of its importance for many applications and the understanding of some physical phenomena in ferroelectrics, the research field of flexoelectricity has attracted considerable attention in recent years. However, the understanding of the generation mechanisms of the flexoelectricity in ferroelectrics is still lacking. In this project, the generation mechanisms of the flexoelectricity in ferroelectric oxides will be studied. In order to determine the magnitude of the intrinsic flexoelectric response from the crystal lattice, the flexoelectricity of ferroelectric single crystals will be first studied to circumvent the effect of grain boundary on the response. After the intrinsic flexoelectric response is obtained, the extrinsic mechanisms and factors, which affect the flexoelectric response of ferroelectrics, will be further studied by comparing the flexoelectric response of ferroelectrics with various compositions at different temperatures. These extrinsic mechanisms and factors to be studied include compositions of ferroelectric materials, ferroelectric or ferroelastic domains, surface piezoelectricity and crystal structure. The dependence of the flexoelectric response of the ferroelectrics on these mechanisms and factors will also be studied. Through this study, an in-depth understanding of the flexoelectricity in ferroelectrics can be achieved. Based on the understanding, the observation that the measured flexoelectric coefficients can be several orders of magnitude stronger than the values from theoretical estimation, which has been one unresolved issue in the field of flexoelectricity, can be explained. The findings of this project can also be used to manipulate and enhance the flexoelectric response of ferroelectrics, which can expand the practical applications of the flexoelectricity. Consequently, this project is important for both fundamental understanding and practical applications of the flexoelectricity.

由于挠曲电效应良好的应用前景及其对于理解铁电材料中的一些物理现象的重要意义，近年来挠曲电效应研究获得了极大的关注，但目前人们对铁电材料的挠曲电效应的产生机理仍缺乏理解。本项目将对铁电氧化物材料的挠曲电效应的产生机理进行研究。首先利用铁电单晶材料排除晶界对挠曲电响应的影响，确定源于晶格的本征挠曲电响应的量级大小；在此基础上，通过对比和分析多种组分的铁电陶瓷在不同温度下的挠曲电响应，研究影响铁电陶瓷挠曲电响应的多种非本征机理和因素,包括组分、铁电或铁弹畴、表面压电性、晶体结构，并揭示这些机理和因素对铁电陶瓷的挠曲电响应的影响规律。通过本研究，可获得对铁电材料的挠曲电效应的深入理解，解决挠曲电效应研究中发现的铁电氧化物材料的挠曲电系数的理论值远低于测量值这个重要问题；获得的实验规律还可用来调控和提高铁电材料的挠曲电响应，推动挠曲电效应的应用。本研究对于挠曲电效应的基础和应用研究有着重要意义。

挠曲电效应是普遍存在于介电材料的一种机电耦合效应。研究表明，纳米铁电材料中的一些新奇物理现象与这种物理效应密切相关，而且利用这种效应可以设计一些新型功能器件，因此近年来这种物理效应获得了极大的关注。然而人们对这种物理效应仍缺乏深入理解，其中一个长期困扰人们的基础性问题是实验测量的铁电氧化物陶瓷的挠曲电响应往往比理论值高数个数量级。在项目执行中，我们发现铁电氧化物陶瓷普遍存在着自发极化的表面，其厚度在10微米左右。我们测量获得的挠曲电响应主要来源于这个极性表面的压电响应（其贡献超过70%甚至90%以上），而且自发极化的表面可在铁电材料的居里温度以上存在，在宽广的温度范围内对挠曲电响应有所贡献。在远高于居里温度的温度下，极性表面的贡献减弱，我们可以测量到接近理论值的挠曲电响应。我们利用自发极化表面的机理解释了铁电氧化物陶瓷的挠曲电响应与组分和温度关系。我们还系统研究了还原增强铁电氧化物陶瓷挠曲电响应的工艺和产生机理。通过优化还原条件将铁电陶瓷的挠曲电响应提高到1.5mC/m以上，并发现高的挠曲电响应主要来源极性表面与高电导率造成的“阻挡层效应”协同作用的结果。我们还探索了挠曲电效应在机械能回收、热-电转换、磁电材料以及二极管器件方面的应用。总之，通过本项目的研究，我们发现了铁电氧化物陶瓷挠曲电响应的一个主要机理，获得了对这种物理现象的深入理解，并探索了新的应用领域，项目的研究成果对于推进挠曲电效应的基础和应用研究的发展有着重要意义。