這個實驗看上去並不複雜，

資料看上去也不是那麼的多，

為什麼你是第一個發現的？

以下視訊來源於

格致論道講壇

李飛· 西安交通大學教授

格致論道第101期 | 2023年8月25日 北京

大家好，我是李飛，來自西安交通大學。非常高興能在格致論道為大家做報告。

我看到觀眾裡有很多中學生、小學生，這應該是我第一次給中小學生做報告。在演講開始之前，我首先想感謝一下組織論壇的工作人員，他們在前期做的大量工作讓我意識到，這個報告可能比學術報告要難講得多。

我今天給大家報告的題目是《一「壓」就來電的智慧材料》。那什麼是一「壓」就來電的智慧材料？就是具有壓電效應的材料。

▲居里兄弟

壓電效應最早是在1880年由居里兄弟在石英晶體中發現的。居里兄弟中的弟弟就是我們熟知的居里夫人的丈夫。

▲正壓電效應：力→電

具體而言，就是給石英晶體加上一個力，比如敲它一下，它就會形成電場，產生能被接收到電荷，這個就叫正壓電效應。實際上我們用到的按壓式打火機就利用了這個原理。

▲逆壓電效應：電→力

反過來，如果給石英晶體加一個電場，它就會產生應變或者振動，這個就叫逆壓電效應。這樣看來，壓電材料本質上就是一種能夠實現機械能與電能轉換的智慧材料。

給輪船當「眼睛」的壓電材料

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在壓電材料被發現之初，人們並不知道它有什麼用。一直到上世紀初，海洋運輸變得越來越重要，人們才開始應用壓電材料。

當時我們人類怎麼保證海洋運輸的安全呢？其實我們用到了一個最簡單的方法，就是把輪船造得越大越好，這樣就可以抵禦海上的風浪，避免沉船。

我們都聽過鐵達尼號的故事，許多人也都看過《鐵達尼號》的電影。鐵達尼號是當時世界上最大的郵輪，但是它在第一次出海時，就因撞到水下的冰山而不幸沉船，導致1500多人遇難，這也是人類歷史上最大的海難之一。於是，人們開始意識到，我們的輪船不僅需要大，同時還需要一雙能夠探查水下環境的「眼睛」。

在日常生活中，我們通常用光波或者說電磁波來探測空氣中的物體。但是在水下，電磁波的傳播距離非常有限。那應該如何探測水下的物體呢？要用聲波。由此，壓電材料第一次登上了歷史舞臺。

很快，法國科學家朗之萬先生就發明了第一臺主動聲納。朗之萬就是居里兄弟中哥哥的學生。

聲納的原理其實非常簡單。我們給一個壓電材料加上一個電場，就會產生聲波。聲波發出以後打在目標物體上，目標物體就會產生回波。然後我們就能通過正壓電效應接收回波，再轉化成感應電信號。通過這樣的過程，我們就能探測到水下物體的位置。

▲左上：深海通訊、海底觀測網

右上：醫療超聲診斷與治療

左下：精密製造

右下：深空探測

除了聲納以外，現在壓電材料在我們生活中還有非常多的應用。比如大家比較熟悉的醫療超聲，B超儀就跟聲納的原理非常相似，因為人體的70%是由水構成的。

壓電性能卓越的弛豫鐵電單晶

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正因為壓電材料這麼重要，我們才一直在不斷探索和研發新的壓電材料來滿足應用的需求。

▲李飛等, 壓電效應——百歲鐵電的守護者, 物理學報, 69, 217703 (2020)

Zhang S & Li F. J Appl Phys, 111, 031301 (2012)

在過去100多年時間裡，材料的壓電係數由之前每牛頓幾個皮庫提升到現在每牛頓幾千皮庫。為什麼我們要提升壓電係數呢？因為壓電材料的係數越高，用它製作的聲納的探測距離就會越遠，用它製作的B超的精度就有可能更高。

大家注意，上圖紅框中的壓電材料實際上都屬於鐵電材料。而我今天要講的是一類目前壓電性能最高的材料：弛豫鐵電單晶。

在介紹弛豫鐵電單晶之前，我想先介紹一下鐵電晶體的概念。

大家知道，晶體由許許多多的晶胞構成，晶胞是晶體結構的基本單元。對於普通的、非鐵電的晶體來說，晶胞中的正電荷中心和負電荷中心是完全重合的，對外不顯電性。而鐵電晶體的晶胞的正電荷中心和負電荷中心不重合，所以就會產生一個極化向量，我在圖中用箭頭來表示。

之前工作人員一再告訴我不要出現公式，所以我今天只放這一個公式：極化向量的大小是

。向量的方向就是正負電荷之間的位移。

鐵電晶體的極化向量在每個晶胞中都是有序排列的。這是一張電鏡照片，我們可以看到真實的鐵電晶體的極化向量是完全有序的排列。

而弛豫鐵電單晶是鐵電晶體的一個分支。它和鐵電晶體相同的一點是，它的每個晶胞也有極化向量。但不同的是，它極化向量的排列不是那麼有序。

這張圖裡的箭頭示意極化向量。可以看到，圖中一些奈米微區的極化向量的方向和整個基體的宏觀極化方向是不相同的，有向左倒的，有向右倒的。這些極化向量對於弛豫鐵電單晶的性能有非常重要的貢獻。

在介紹我的工作之前，我想先簡單介紹一下弛豫鐵電單晶的發現歷史。

▲左：Prof. Kuwata

右：Prof. Uchino

弛豫鐵電單晶最早是在1970年由蘇聯科學家和日本科學家合成出來的。

▲左：Tom Shrout

右：SE Park

但一直到20多年後，也就是1997年，美國科學家Tom Shrout教授和他的博士後SE Park才對它的壓電性能進行了全面系統的研究。他們發現，弛豫鐵電單晶的壓電性能是當時最好的壓電材料的5-10倍，這為後來的壓電器件的性能提升提供了具有變革性的基礎，也被認為是壓電材料的一個里程碑。

但是在那時候，這個晶體的生長合成非常困難，只能用溶液法，所以它的尺寸非常小，遠遠無法滿足應用的需求。所以當時的人們非常發愁，既然有了優異的晶體，如何把它應用起來呢？如何讓它長大呢？

在這個時候，我國的科學家，來自中國科學院上海矽酸鹽研究所的許桂生、羅豪甦教授發現，這種晶體可以利用坩堝下降法生長，而且可以生長到很大的尺寸。

▲坩堝下降法生長的弛豫鐵電單晶

沿著這個思路，在全世界許多科學家的共同努力下，這個晶體很快就生長到了直徑4英寸的大小，也就是100毫米左右。這種大小就可以支撐它用於壓電器件。

弛豫鐵電單晶最直接的應用就是醫療B超。由於它的壓電係數比之前的材料高5-10倍，所以用它製作的B超系統的成像解析度和成像精度都得到了大幅度提升。目前大家在三甲醫院看到的一些高端醫療超聲探頭基本都是由這種晶體制成的。

從弛豫鐵電單晶這個例子大家可以看到，研究壓電材料是一件非常有意義的事情，但是過程裡並不是一蹴而就的。從弛豫鐵電單晶的第一次出現到它真正服務於人類，前前後後各國學者花了40多年的時間，它是智慧的結晶。

目前，弛豫鐵電單晶的單片售價還是很昂貴的，像我手掌大小的一片厚度0.5毫米左右的晶體，售價大概在1萬元以上。

為什麼弛豫鐵電單晶有這麼好的性能？

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下面就來介紹一下我的研究工作。我是從2005年開始從事弛豫鐵電單晶研究的，當時我最關心的是怎樣的微觀結構讓它具有優異的壓電性能。因為只有知道了這個問題的答案，才能發展新的、具有更高性能的壓電材料。

實際上，在我的研究工作剛剛開始的時候，國際上已經有非常多的相關研究了。大家普遍認為，這種高性能是源於它自由能曲面的扁平化。

當我們給弛豫鐵電單晶和傳統鐵電單晶施加一個力的時候，由於弛豫鐵電單晶的自由能曲面更加扁平，所以轉動它的角度需要的能量更低。也就是在一定的應力下，弛豫鐵電單晶的極化向量轉動角度會更大，因此會產生更高的壓電性能。

但是這樣的理解遠遠不能夠幫助我們設計新的壓電材料。因為我們並不知道是什麼樣的微觀結構讓它具有高性能，這個問題也成為了當時的國際難題。

在我看來，科學難題最難的一點就在於，研究的時候根本找不到一個合適的切入點，沒有辦法像寫項目申請書一樣設計出一個研究方案和技術路線。因為你能想到的研究方案和技術路線，前輩們大多已經嘗試過了，並且已經被證明是解決不了這個問題的。

遇到這樣的問題，我們能怎麼辦呢？這麼多年的科學經歷給我的第一個科研感悟就是：唯有堅持。長期的堅持會讓你更加關注實驗中的每一個細節，同時可能會有一些新的發現。

▲單疇弛豫鐵電單晶中的低溫介電弛豫現象

我的研究工作在大部分時間都沒有太多的進展。一直到我博士工作的第6年快畢業的前夕，我才發現了一個非常重要的現象，我們稱它為單疇弛豫鐵電單晶中的低溫介電弛豫現象。

這時候可能有朋友會問，這個實驗看上去並不複雜，資料看上去也不是那麼的多，就幾條曲線，你為什麼是第一個發現的？畢竟你也不是第一個研究弛豫鐵電單晶的人。

實際上在我之前，這個現象已經被別的學者發現了，但是他們並沒有重視這個現象，而是用簡單的、傳統的疇壁運動的觀點解釋它。

在第一次看到這個現象的時候，我的直覺告訴我它很難用傳統的觀點去解釋。為了證明這一點，我首先研製了一種特殊的弛豫鐵電單晶，也就是單疇弛豫鐵電單晶。這種晶體裡面沒有任何疇壁，更談不上疇壁運動。

我利用這個晶體去做實驗，發現了它在液氮溫度下的低溫介電弛豫現象更加明顯。顯然這個現象無法用傳統的疇壁運動的觀點來解釋。如此一來，這個現象就變得非常重要。

為什麼重要？因為這個現象體現出了弛豫鐵電單晶和普通鐵電單晶最大的區別。

弛豫鐵電單晶的高性能主要源於液氮溫度附近的熱激活過程，我們只要明確了在液氮溫度附近弛豫鐵電單晶微觀結構的變化，那麼我們就能確定它高性能的起源。

雖然說在液氮溫度下去表徵一個晶體在奈米尺度上的微觀結構，這不是一件容易的事，但是起碼這個時候我們的目標非常明確了。因此，在我博士畢業之後，我花了6年左右的時間，通過系統的實驗測試和理論模擬，確定了弛豫鐵電單晶中微觀結構在熱激活過程中的變化。

▲F. Li, et al. Nature Communications, 7, 13807 (2016).

在這個溫度範圍內，弛豫鐵電單晶主要發生了圖中顯示的變化。也就是在熱激活以後，這些極性奈米微區從原本的狀態變化到了與這些基體共線的狀態，也就是它的極化向量與基體共線了。處於這種共線狀態下的極性奈米微區實際上並不穩定，很容易被外界的干擾所擾動。

我們看這個模擬的示意圖，圖中的顏色代表相應區域的極化向量與水平方向的夾角。它對晶體的壓電性能起著重要的作用。當給弛豫鐵電單晶施加電場的時候，圖中有一些區域的顏色明顯變化得更快，這些就是共線狀態的極性奈米微區。

到這個時候，我們就明白了，是這些共線狀態的極性奈米微區導致了弛豫鐵電單晶的高性能。

發現更高性能的新材料

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顯然，做這個研究的目的就是為了設計新的壓電材料。那麼問題就來了：我們能不能在弛豫鐵電單晶中引入更多的極性奈米微區？換句話說，我們能不能精準地去調控它在奈米尺度的微觀結構？

這個問題還是有一定難度的，在最開始我們並沒有太多思路。

▲左：有序排列

右：無序排列

這裡要講到我的第二個感悟：做科研永遠要站在前輩的肩膀上，大量地閱讀文獻總會讓你有新的收穫。比如，我們通過閱讀文獻得知，在上世紀90年代就有學者發現摻雜稀土元素可以改變弛豫鐵電單晶在奈米尺度下的離子排列方式，這個正是我們需要的。

▲F. Li et al. Nature Materials, 17, 347 (2018)

沿著這個線索，我們對稀土元素摻雜弛豫鐵電單晶做了系統研究。在這些稀土元素中，釤（Sm）元素最有效，可以引入我們想要的極性奈米微區。

▲F. Li et al. Science, 364, 264 (2019)

找到了最有效的元素後，接下來的工作就相對簡單了。我們最佳化了它的生長工藝，研製出來了高質量的釤摻雜晶體，使壓電性能提升了一倍以上。

這個工作也得到了學術界和產業界的高度關注，被《科學》（Science）評價為壓電材料領域的重要進展，為壓電器件的性能提升帶來了一次新的機遇。

有了這樣的新材料，我們就在思考如何應用。實際上，它可以幫助我們去突破現有的一些技術瓶頸。

▲Zhou, Q. et al., Multimodality Imaging. Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2020.

比方說，眼部超聲同時具備更高的成像解析度和成像深度，但是超聲的成像解析度和成像深度是一個倒置關係，沒有辦法同時提高。想要突破這個瓶頸，最直接的方法就是利用新的、更高性能的壓電材料去研製新的超聲探頭。

▲左：光聲成像系統需求

中：用於手機攝像頭的小型化壓電馬達

右：海底自供能系統中的能量收集系統

除了眼部超聲以外，未來弛豫鐵電單晶還可以在許多方面發揮重要的作用。例如用它來研製新型的、透明的超聲探頭，可以幫助我們突破光聲成像領域成像解析度和成像速度的制約關係。同時，還可以把它用於手機攝像頭上小型化大推力的壓電馬達，還可以用來研製海底自供能系統中的能量蒐集系統。我也希望未來會有更多的朋友跟我們一起探索它的應用。

最後，我想用這句話來結束我的演講：問題在哪裡，未來就有可能在哪裡。

我們在基礎問題研究中的一小步，有可能就是未來科技發展的一大步。

最後的最後，非常歡迎大家來西安交通大學。希望能夠在不久的將來，在西安交通大學與大家相見。

非常感謝。