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，长期面临“大应变”与“快响应”难以兼得。
近日，清华大学李敬锋教授团队联合西安交通大学等，提出“极化子-缺陷复合”新策略，在铌酸银基无铅铁电薄膜中实现突破：直流偏压与千赫兹交流激励协同下，有效压电系数达7170 pm/V，电致应变6.2%，为高性能压电材料设计开辟新路径，有望推动MEMS、精密驱动与智能机器人等发展。
这一研究成果已发表在顶尖国际学术期刊《Science》上，在铁电薄膜与压电材料领域引发关注。
（https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972）
研究背景
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”，如何兼顾大应变与快速响应，已成为压电及机电功能材料研究的重要方向。
今日，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，合作提出“极化子-缺陷（polaron-defect，PD）复合”的新型压电材料设计策略，在钙钛矿结构铌酸银基无铅铁电薄膜中首次报道超高有效压电响应：在直流偏压与千赫兹交流激励协同作用下，其有效压电系数可达7170 pm/V，对应电致应变高达6.2%。该研究成果于2026年10月2日在线发表在Science上。
该策略的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)。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。这一极化调制通过改变局域晶格畸变的各向异性，进一步转化为宏观应变。与依赖离子迁移的机制不同，该路径将电子的快速动力学引入缺陷极化过程，从而突破传统离子迁移数十赫兹低频响应的速度瓶颈。
图1 | 极化子-缺陷复合设计实现千赫兹下超高压电响应
在溶胶-旋涂法制备的K掺杂AgNbO3薄膜中，Ag+发生还原并不均匀析出，形成局域化学成分差异。原子尺度结构与电子态表征发现，在欠银区域易形成带正电的Nb占据Ag位的反位缺陷，并进一步聚集形成纳米尺度缺陷团簇，同时伴随局域晶格畸变（图2）。为实现电荷补偿，过量电子局域在反位缺陷附近的Nb位点，诱导Nb发生变价，进而形成极化子-缺陷复合体。这些缺陷团簇在薄膜内部呈空间分布，并产生显著的应变-电荷耦合效应。
图2 | (Ag0.92K0.08)NbO3薄膜中极化子-缺陷复合体的原子尺度表征
为揭示其高机电响应的来源，研究团队开展了系统的机电响应与电学表征，并结合电场原位二次谐波发生（SHG）、四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和同步辐射微聚焦X射线衍射（XRD）等先进表征技术，同时结合第一性原理计算和相场模拟，从实验与理论两个层面交叉验证(图3)，结果表明，极化子与缺陷之间存在电学一弹性耦合，而外加电场驱动小极化子在相邻晶胞快速跃迁，引发极化子-缺陷复合体动态重构，并伴随局域缺陷极化和局域晶格畸变演化。这一过程是产生超高有效压电响应的关键微观机制。
图3 | 电场作用下结构与极化状态的原位演变及理论模拟
在此基础上，研究团队进一步将该设计策略拓展至具有中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂二氧化钛薄膜，在1kHz下同样获得超过1000 pm/V的有效压电响应，显示出极化子-缺陷复合体设计向其他材料体系拓展的潜力。
本研究不仅展示了一种兼具高机电响应与快速动态特性的无铅功能薄膜材料，更揭示了极化子-缺陷协同调控机电响应的新机制，为突破传统压电材料中高响应与快速动态特性难以兼顾的瓶颈提供了新的材料设计思路。
该论文以“极化子-缺陷复合实现超高压电性”（Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes）为题发表于国际著名期刊《科学》（Science）
