清华大学，Nature Materials！

一、研究背景

具有大且线性应变的铁电薄膜，对于高频精密微执行器（如微机电系统，MEMS 中的超声换能器）的应用至关重要。过去几十年，研究致力于将铁电材料的电致应变或压电应变推高至1%以上的阈值。

二、关键问题

目前，当前研究主要存在以下问题：

1、高频响应和稳定性受限

现有策略通常依赖于晶格结构或缺陷动力学对频率和温度的复杂依赖性，导致在高频和变温条件下提升应变响应的成功有限。

2、线性度与滞后问题

尽管许多研究（如利用畴配置、相变或缺陷引入）实现了大应变值，但这些方法通常伴随着较大的滞后、有限的线性度以及对频率或温度变化的不稳定性。

三、新思路

有鉴于此，清华大学李敬锋、中国科学技术大学Zhenlin Luo、曼彻斯特大学David A. Hall和卧龙岗大学Shujun Zhang等人通过促进局域应变波动，在旋涂外延的( K、Na)NbO₃基铁电薄膜中实现了互锁的极性配置。即使在10⁵ Hz下测量，薄膜仍表现出超过1.1 %的高频应变，具有较高的线性度和稳定性。交错排列的单斜相和四方相极化极性的存在通过促进宽频率范围内的极化动力学来增强压电响应。此外，由不同对称性和边界条件引起的两种不同的偏振转换机制之间的相互作用相互补偿，有助于观测到的整体线性。这种方法为在宽的高频范围内获得可靠的、大的和线性应变的铁电薄膜提供了一种有前途的但简便的策略。

技术方案：

1、调控了掺杂KNN基薄膜中的纳米极性构型

两阶段结晶调控掺杂KNN基薄膜纳米极性构型，形成M相和T相混合，增强局部应变波动，促进了联锁PNRs形成，提升了协同极化动力学。

2、探究了大线性高频电致应变

研究表明，IM-PNR薄膜应变值高、线性好、高频性能优异，温度稳定性强，适用于大规模制造和高性能压电微器件应用。

3、揭示了IM-PNR薄膜的微观结构特征

IM-PNR薄膜由M相基质和T相组成，存在小PNRs，促进极化切换，减少滞后，提供低能路径，切换行为受应变边界条件影响。

4、揭示了补偿性M相和T相膨胀实现整体应变线性度

原位SXRD显示M相和T相共存且M相体积分数恒定。电压增加时，T相 c_T饱和，M相c_M加速膨胀，导致超过1.1%的线性应变。M相和T相PNRs的不同极化路径和应变边界条件，实现了宽范围的高度线性电致应变。

技术优势：

1、实现了高频下的大线性应变突破

本研究在铅基和非铅基材料中，首次实现了在10⁵ Hz频率下应变仍超过1.1% 的高性能（最高 1.14%），同时保持了顶尖的线性和温度稳定性，克服了传统铁电体在应变幅值、频率稳定性和线性度之间的固有权衡。

2、提出了创新的纳米结构工程策略

通过易于实现的两阶段结晶工艺，成功构建了联锁的M相和T相PNRs (IM-PNRs) 这一新颖的纳米极性结构。这种结构的核心机制在于M相和T相极化切换的互补补偿效应，从而保证了在宽电场范围内应变的整体线性度。

技术细节

增强局部波动通过两阶段结晶

本文通过两阶段结晶程序调控了掺杂KNN基薄膜中的纳米极性构型。第一阶段（热解温度T_p高于异质形核临界温度T_heter,n）在NSTO衬底应变影响下促进M相形成。第二阶段（退火T_II）使剩余非晶材料形核，形成室温下的T相。与单阶段结晶相比，双阶段结晶产生M相和T相的混合物。通过调整热解温度和时间，可精确调控各相的体积分数。M相和T相 (003)_c峰位置偏差的增大，量化了增强的局部应变波动，促进了联锁的M相和T相极化纳米区域（IM-PNRs）的形成。这种联锁结构不仅稳定了纳米极性构型，还促进了协同极化动力学，为高性能压电材料的设计提供了新思路。

图  两阶段结晶协同调控纳米极构型

大线性高频电致应变

IM-PNR薄膜在560 MV·m⁻¹场强下最大应变值达1.14%，显著高于PC薄膜，且在不同驱动电压和外部偏压下保持出色的线性和最小滞后。在10⁵ Hz频率下，应变值仍达1.11%，表现出非凡的高频性能。在10³ Hz到10⁵ Hz频率范围内，应变相对变化量保持在10%以下，表现出频率无关行为。与当前最佳压电材料相比，IM-PNR KNN薄膜在高应变幅值和线性度（通过Pearson’s factor R_p评估）方面表现优异，优于其他铅基和非铅基薄膜。此外，该薄膜在室温到150℃范围内，应变和线性度的变化量均低于10%，展现出优秀的温度稳定性。这种结构可通过旋涂工艺进行大规模制造和图案化，并成功应用于压电微机械超声换能器（pMUT），实现了910 pm·V⁻¹的动态位移灵敏度。

图  IM-PNR薄膜的应变、线性和稳定性

层级极性构型

原子尺度分析揭示了IM-PNR薄膜的微观结构特征。薄膜中存在源自M相氧八面体倾斜的1/2{101}衍射斑点，表明M相和T相共存。局部晶格参数 c/a比的空间波动进一步证实了这一点，其中T相具有较高的c/a比，而M相则较低。逆快速傅里叶变换（FFT）显示M相和T相形成了交织的网络结构。IM-PNR结构的主体由几十纳米尺度的M相基质组成，其中嵌入了尺度约几纳米、体积分数较小的T相。在M相基质内，还存在约2-3纳米的更小PNRs，这些小PNRs对于促进极化切换和减少滞后至关重要。M PNRs提供了从c 到c的连续极化切换低能路径，T PNRs嵌入在M相基质中，与衬底直接相互作用解耦，经历了不同的应变边界条件，其切换行为也因此受到影响。这种复杂的微观结构为IM-PNR薄膜的高性能提供了结构基础。

图  IM-PNR膜的纳米极结构

补偿性M相和T相膨胀实现整体应变线性度

原位电压依赖的同步辐射X射线衍射（SXRD）测量显示，施加电压前后，M相和T相共存的衍射特征保持不变，M相的体积分数恒定，表明极化切换在M PNRs内部连续发生。在电压增加时，T相的c_T趋于饱和，而M相的 c_M在更高电压下加速膨胀。这种相反趋势导致了应变超过1.1%的总体线性度。相场模拟揭示了补偿机制：T PNRs的极化向量保持沿1c方向，经历伸长和a_T缩小，而M PNRs的极化可以沿着从22c到1c的路径连续旋转，氧八面体倾斜的变化提供了在不改变a_M的情况下改变c_M的低能路径，使其应变在高电压下加速，克服了衬底钳位限制。这种M相和T相PNRs的不同极化路径和应变边界条件，实现了宽范围的高度线性电致应变。

图  IM-PNR薄膜原位结构演化的电压依赖SXRD测量

图  外场作用下偏振行为的相场模拟

五、展望

总之，本研究通过两阶段晶化过程，在KNN基铁电薄膜中实现了超过1.1%的大且高度线性应变，即使在10⁵ Hz频率下也能保持。这种材料工程策略通过定制局部极性结构和应变异质性，不仅实现了快速极化切换，还揭示了一种互锁机制，保证了电应变在宽电场和频率范围内的整体线性。该方法具有通用性和可扩展性，适用于大面积制造和图案化，可集成到下一代高性能压电微器件和先进执行器技术中。

参考文献：

Cheng, YYS., Shi, X., Shu, L. et al. Large linear high-frequency strain by interlocked monoclinic polar nanoregions. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02354-z

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