一种改进超声波的新材料

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】根据宾州州立大学，中国和澳大利亚的一个国际研究小组的研究结果，为铁电材料中的超高压致发展提供了一种新材料，其压电响应是现有商业铁电陶瓷的两倍。压电是医学超声，声纳，主动振动控制以及许多感测器和执行器的核心。压电材料具有在施加电压时机械变形或当施加机械力时产生电荷的能力。研究人员在Nature Materials本周报道称，将少量精心挑选的稀土材料钐添加到被称为铌酸铅 - 钛酸铅（PMN-PT）的高性能压电陶瓷中可显著提高其压电性能。该团队认为这种逐个设计的策略对设计其他应用的材料也很有用。

具有纳米级结构不均匀性（4-8nm）的远程铁电畴由高分辨率TEM证实。图片版权：费利/佩恩州

这不是开发新材料的典型方式，该团队的共同作者，陈龙清，Donald W. Hamer教授，材料科学与工程教授，数学教授，工程科学与力学教授。大多数现有的有用材料都是通过试错实验发现的，但我们在这里设计并合成了一种由理论和模拟指导的新型压电陶瓷。该团队首先分析了添加各种化学掺杂剂对现有铁电陶瓷局部结构的影响。然后能够通过比较测得的介电损耗与从相场模拟获得的特征来减少有效掺杂剂的库。在筛选掺杂剂后，着重于优化工艺和成分以实现超高压电。这项工作是基于对30年前开发的铁晶体管中超高压的起源的理解，新认识表明，局域结构异质性在铁电体中的压电性中起着重要作用，其也可以扩展到其他功能。

局部结构不均一性是指在掺杂少量化学物质（在此情况下在PMN-PT陶瓷中掺杂钐）形成的主体材料内的纳米级尺寸结构畸变，作为修改材料的热力学能量景观的方式，其在转动会增加介电性能 - 材料响应静电场的能力 - 以及压电效应。该研究的主要作者，宾夕法尼亚州立大学副研究员李飞说：这种材料是用于感测器的一个很好的选择，例如用于医疗超声波的感测器，已经有南加州大学的一个小组使用我们的材料制造的器件。这种称为针式换能器的装置使用Penn State材料的亚毫米压电元件，装配到标准针或导管中，以执行微创手术，在体内成像或在体内引导精确手术，该设备比同尺寸的现有设备具有更好的性能。宾夕法尼亚州已就该材料提交了临时专利。

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参考：Nature Materials

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：宾夕法尼亚州立大学

编译：光量子

审校：博科园

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