近日，上海交大机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心杨天南副教授在Nature上发表题为“Ultrahigh electromechanical response from competing ferroic orders”的研究论文，提出了基于极化序构竞争的机电耦合材料设计策略，通过构建反铁电与铁电相共存，增强电场诱导的晶格序构响应，实现材料压电性显著提高。杨天南副教授为共同第一作者，另两位共同第一作者为新加坡科技研究局/新加坡南洋理工大学博士生林柏臣、新加坡科技研究局Khuong Phuong Ong研究员，通讯作者为新加坡南洋理工大学Yeng Ming Lam教授与新加坡科技研究局刘华俊研究员。
具有机电耦合的物质可以实现机械能和电能的相互转换，是换能器和声学器件应用的关键。铁电材料的极化序构伴随着较强晶格形变，具有较高的电致伸缩系数，可望带来高效的机电响应。通过获得强烈的结构不稳定性，可显著提高铁电材料的机电耦合，其传统方法包括获得准同型相界与构造纳米尺度的结构异质性两种。本研究提出了一种基于反铁电和铁电相竞争的结构不稳定性提高材料机电响应的新策略，为机电器件的材料设计提供了新思路。
通过增强结构不稳定性提高薄膜机电响应的策略
该策略通过基板限制的对称性工程，增加铌酸钠薄膜反铁电相的极化自由度，降低自由能密度曲线的曲率，获得结构不稳定性，从而获得电场诱导的反铁电-铁电相变，增强介电响应，实现材料压电系数的显著提高，该策略获得的铌酸钠薄膜表现出超过5000 pm/V的压电系数。理论计算进一步揭示了极化反转的能垒的降低，类似于准同型相界处的热力学能量函数，阐明了机电响应过程中相演化的动力学机制。研究展示了通过构建薄膜中反铁电和铁电相共存，利用多极性相竞争显著增强铌酸钠薄膜机电响应的策略,提供了基于反铁电材料实现高性能机电器件设计的有效途径。
杨天南副教授主要从事铁性与电介质材料的热力学、动力学与相场理论研究，致力于推进功能材料的多尺度模型与设计理论发展，近年来在Nature、Science、Nature Materials等期刊发表论文80余篇。
