高頻高精度超聲換能器壓電單晶材料基礎(chǔ)難題解決發(fā)布時(shí)間：2019-04-19              來源：科技日?qǐng)?bào)

記者從西安交通大學(xué)獲悉，該校電信學(xué)部李飛與徐卓教授團(tuán)隊(duì)及其合作者研發(fā)了釤摻雜的鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛壓電單晶，顯著提升了用于醫(yī)療超聲換能器的壓電材料性能，為高頻醫(yī)療超聲探頭和高精度與大位移壓電驅(qū)動(dòng)器奠定了新的壓電單晶材料基礎(chǔ)。其研究成果即將在《科學(xué)》上發(fā)表。

弛豫鐵電單晶自1997年發(fā)現(xiàn)以來，大幅度提升了壓電材料的性能和醫(yī)療超聲的成像分辨率。然而隨著人們對(duì)醫(yī)療超聲系統(tǒng)精度需求的不斷提升，如何進(jìn)一步提高弛豫鐵電單晶的壓電和介電性能，成為這20多年來，國內(nèi)外科學(xué)家廣泛關(guān)注的重要科學(xué)問題。近年來，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子陶瓷與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國際電介質(zhì)研究中心徐卓教授、李飛教授團(tuán)隊(duì)圍繞弛豫鐵電單晶高壓電性的起源與性能優(yōu)化開展了大量研究工作。2016年，研究團(tuán)隊(duì)在介觀尺度上揭示了弛豫鐵電單晶高壓電效應(yīng)的機(jī)理。2018年，提出了通過增強(qiáng)局域結(jié)構(gòu)無序性來進(jìn)一步提升鐵電材料壓電性能的理論方法，并在稀土元素釤摻雜的鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛陶瓷材料中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在此基礎(chǔ)上，西安交大研究團(tuán)隊(duì)與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、美國北卡州立大學(xué)等單位合作，設(shè)計(jì)并生長了釤摻雜的鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛壓電單晶，成功將“增強(qiáng)的局域結(jié)構(gòu)無序性”“準(zhǔn)同型相界”和“工程疇結(jié)構(gòu)”3種高壓電效應(yīng)的起因有機(jī)結(jié)合，大幅度提高了弛豫鐵電單晶的壓電和介電性能，壓電系數(shù)最高達(dá)4000 pC/N（皮庫倫每牛頓）以上，介電常數(shù)達(dá)12000以上，較之非摻釤的同組分的鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛壓電單晶的性能提高約一倍；同時(shí)利用釤元素在晶體生長過程中的分凝特點(diǎn)，優(yōu)化了單晶棒性能的均勻性，為高頻醫(yī)療超聲探頭和高精度與大位移壓電驅(qū)動(dòng)器奠定了新的壓電材料基礎(chǔ)。

（記者史俊斌）