西安交大取得弛豫铁电理论及技术研究多项突破 － 相关成果获得2015年国家科技奖自然科学奖二等奖

2016年1月9日《陕西日报》第三版

        本报记者 张梅 

      弛豫铁电材料是电子技术领域重要的功能性材料，在电子通信、生物医学、航空航天、国防科技等高新技术产业和国防装备等领域具有广泛应用。西安交通大学姚熹院士课题组历经50多年几代人的研究，在国际上首创了弛豫铁电体的“微畴-宏畴转变”理论，成功研发出用于国防装备的高性能弛豫铁电单晶和陶瓷材料及其器件，对理解复杂介电行为的起源，并大幅提高其性能做出了突出贡献。 　　

      弛豫铁电体的发现和研究始于20世纪50年代中期。当时，研究人员发现了一类化合物，既有明显的铁电性质，又呈现强烈的弛豫特性。它独有的铁电弛豫特性将传统电介质理论认为互无联系的弛豫现象和铁电现象联系起来。这类材料的发现，引起了广泛关注。如何认识和解释这类材料中极化弛豫产生的机制，也成为该领域研究的热点。 　　

      1960年至1965年期间，姚熹院士与苏美等国科学家大体同步地研究了钛酸锶铋陶瓷的介电行为与极化弛豫现象，提出了铁电现象可能与晶体中的缺陷和离子型极化弛豫有关。1982年，姚熹院士在美国做博士后研究时，从司空见惯的介电温谱的细微变化中发现了一种新的反常弥散，提出了在化学组成复杂的铁电体中存在着线度为数十纳米的极性微畴，这种微畴在偏置电场作用下可以通过热激活转变为通常的铁电畴，并将这种转变称之为“微畴-宏畴转变”。之后，姚熹院士又在实验中发现了弛豫型铁电体微畴-宏畴转变的明确证据，经过反复试验、研究建立了弛豫铁电体“微畴-宏畴转变”理论。 　　

      “微畴-宏畴转变”理论的提出极大地推动了国际上铁电领域的学术进展，产生了广泛的学术影响。该理论认为微畴是弛豫铁电体中弛豫极化的主体，“微畴-宏畴”相互转变是弛豫铁电体复杂介电行为的起源，揭示了温度升高导致宏畴转变为微畴、电场增强导致微畴转变成宏畴等扩散相变和介电色散的物理机制，成为国际上广泛公认的弛豫铁电体理论之一，被写入铁电物理学经典专著与教材。 　　

      经过几十年的长期研究，姚熹团队还建立了弛豫铁电体微畴动力学的“新玻璃模型”，突破了描述弛豫铁电体微畴冻结行为的玻璃模型的局限，发展出适用于多种介质类型的弛豫极化统一模型，使得“新玻璃模型”成为可定量描述弛豫铁电体扩散相变动力过程的统一模型。同时，基于“微畴-宏畴”的理论思想，团队发现了弛豫铁电单晶/陶瓷材料高性能化的物理机制，提出了调控畴尺寸提高压电性能的方法，为大幅度提高单晶陶瓷材料及器件性能，拓宽使用温度范围开辟了新思路。西安交通大学国际电介质中心也因此成为国内外少数几个能够生长高性能弛豫铁电单晶的单位之一，其研发的单晶材料的压电性能比压电陶瓷高44--66倍倍，，电质应变高电质应变高1010倍倍，，已经成功应用于国防尖端装备。 　　

      正是基于该团队在弛豫铁电体等方面的研究成果，姚熹院士在国际学术会议作大会报告和邀请报告数十次，创建了亚洲铁电联盟及亚洲铁电系列会议，获得了国际电气与电子工程师协会颁发的IEEE铁电学成就奖，当选为美国工程院外籍院士。 　　

      据团队成员魏晓勇教授介绍，弛豫铁电材料替代传统的压电材料是新材料领域跨时代的进步。以B超为例，B超传感器使用的压电材料，也就是我们常说的B超“探头”的核心元器件材料，是决定B超分辨率高低的关键因素。普通的B超，只能看到模糊的图像，只有有经验的医生才能看出包括胎儿性别在内的详细特征。使用了弛豫铁电体材料以后，B超具有超高分辨率，任何一个普通人都可以通过这种B超，清楚地看到胎儿的面部表情。在军事侦察船中，弛豫铁电材料的压电性能比传统的压电陶瓷性能能够提高10倍，相应的探测距离可以提升2倍-3倍。“因此，对弛豫铁电体理论及应用的进一步研究，对新一代智能材本报记者 张梅料的发展具有非常重要的价值。从这个角度来讲，我们中心已经走在了这一领域研究的前沿。”