压电材料可实现机械能与电能的相互转换，被广泛应用于微机电系统（MEMS）、精密驱动器、超声换能器及智能机器人等前沿技术领域。然而，其材料设计长期面临一个难题：大的压电应变与快的响应速度往往难以兼得。

传统铁电材料依靠晶格离子位移产生压电效应，虽然其响应速度快但振幅难以获得突破；近年来研究发现借助氧空位等离子缺陷可以大幅提升压电应变，但其离子迁移限制了其响应速度。前者“快而小”，后者“大而慢”，如何兼顾二者一直是高性能压电材料设计的重要问题。

针对这一难题，清华大学材料学院李敬锋教授团队联合西安交通大学等国内外合作单位，近日在Science发表研究成果，提出“极化子-缺陷（polaron-defect，PD）复合”的新型压电材料设计策略。其核心思想是利用快速跃迁的电子小极化子（即与局域晶格畸变耦合的局域电子态）驱动缺陷极化变化，从而将“大缺陷极化”与“快电子动力学”结合起来，实现“快又大”的场致机电响应。

图1：“极化子-缺陷复合”设计思想与性能结果

研究发现，带电晶格缺陷可通过静电-弹性相互作用稳定电子极化子并形成PD复合体。直流电场驱动极化子在相邻晶格位置间定向跃迁，使PD复合体重构，从而产生较大的缺陷极化，并伴随缺陷附近局域畸变各向异性增强；叠加交流电场后，极化子快速往复跳跃，使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制，这一极化调制通过电致伸缩耦合转化为宏观应变。与依赖离子迁移的机制不同，这一路径将电子的快速动力学引入到缺陷极化过程中，从而突破传统离子迁移数十赫兹低频响应的速度瓶颈。

基于这一设计，研究团队在化学溶液法制备的铌酸银基无铅铁电薄膜（PD-AKN8）中获得了超高的压电应变。在直流偏压激活下，1 kHz时薄膜的场致有效压电系数达到约7170 pm V^-1，最大压电应变约6.2%；即使在10 kHz条件下，有效压电系数仍超过1000 pm V^-1。此外，薄膜的机电响应可稳定循环超过4000万次，且未观察到明显的时间依赖漂移。

原子尺度下的结构与电子态表征、原位电场实验以及理论计算进一步验证，PD-AKN8中高密度反位缺陷与周围电子极化子之间存在静电-弹性耦合，而极化子跳跃驱动的PD复合体动态重构是产生超高压电性的主要机制。

这一机制并不依赖传统铁电极化。研究团队进一步将其拓展到具有中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂二氧化钛薄膜中，在1 kHz下同样获得超过1000 pm V^-1的有效压电响应，显示出该策略向其他非铁电材料体系拓展的潜力。

作者表示，该研究不仅成功开发出一种兼具高机电响应与优异动态特性的压电MEMS薄膜材料，更从极化子–缺陷协同调控机制出发，提出了一条突破传统铁电体压电性能理论极限的新型材料设计范式。

（来源：ScienceAAAS）