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高頻、高精度超聲換能器壓電單晶材料基礎難題解決

2019-04-18 17:17:01 來源: 科技日報 作者: 史俊斌

科技日報西安4月19日電(記者 史俊斌)記者從西安交通大學獲悉,該校電信學部李飛與徐卓教授團隊及其合作者研發了釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶,顯著提升了用于醫療超聲換能器的壓電材料性能,為高頻醫療超聲探頭和高精度與大位移壓電驅動器奠定了新的壓電單晶材料基礎。其研究成果于今日凌晨在國際權威期刊《科學》上發表。

弛豫鐵電單晶自1997年發現以來,大幅度提升了壓電材料的性能和醫療超聲的成像分辨率。然隨著人們對醫療超聲系統精度需求的不斷提升,如何進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,國內外科學家廣泛關注的重要科學問題。

近年來,西安交通大學電信學部電子陶瓷與器件教育部重點實驗室、國際電介質研究中心徐卓教授、李飛教授團隊圍繞弛豫鐵電單晶高壓電性的起源與性能優化開展了大量研究工作。2016年,研究團隊在介觀尺度上揭示了弛豫鐵電單晶高壓電效應的機理。2018年,提出了通過增強局域結構無序性來進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驗驗證。

在此基礎上,西安交大研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學、澳大利亞伍倫貢大學、美國北卡州立大學等單位合作,設計并生長了釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶,成功將“增強的局域結構無序性”、“準同型相界”和“工程疇結構”三種高壓電效應的起因有機結合,大幅度提高了弛豫鐵電單晶的壓電和介電性能,壓電系數最高達4000 pC/N(皮庫倫每牛頓)以上,介電常數達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;同時利用釤元素在晶體生長過程中的分凝特點,優化了單晶棒性能的均勻性,為高頻醫療超聲探頭和高精度與大位移壓電驅動器奠定了新的壓電材料基礎。

 

A 釤摻雜的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體照片;圖B 晶體壓電系數和介電常數;圖C 晶體電致應變測試曲線。

 

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