Sm掺杂PMN-PT单晶薄膜的组分优化及其在MEMS压电执行器中的高性能应用

推荐：为解决压电MEMS执行器性能瓶颈问题，研究人员通过优化Sm-PMN-PT单晶薄膜的PMN/PT组分比，采用溅射沉积技术制备出(100)/(001)取向的纯钙钛矿相薄膜。结果表明，Sm-PMN-50PT组分展现出优异的压电性能（|e31,f|达24 C/m2，|d31,eff|约400 pm/V），突破了传统PZT薄膜的性能极限，为高性能MEMS器件开发提供了新思路。

　　

在微机电系统（MEMS）领域，压电执行器因其高精度和快速响应特性被广泛应用于喷墨打印头、超声探头等场景。然而，传统锆钛酸铅（PZT）薄膜的性能已接近理论极限，而具有更大压电系数的弛豫铁电体材料铅镁铌酸铅-钛酸铅（PMN-PT）单晶因居里温度低、薄膜制备困难等问题难以实用化。更棘手的是，薄膜状态下的PMN-PT往往出现热力学不稳定的焦绿石相，且受基底约束效应影响，其准同型相界（MPB）组分与块体材料存在显著差异。

针对这一挑战，日本东北大学（Tohoku University）的研究团队创新性地采用钐（Sm）掺杂策略，通过精确调控PMN/PT比例，在硅基底上成功制备出无裂纹、纯钙钛矿相的Sm-PMN-PT单晶薄膜。研究发现，当PMN/PT比例为50/50时，薄膜表现出最优异的压电性能：横向压电系数|e_31,f|达到24 C/m²，有效压电常数|d_31,eff|高达约400 pm/V（假设弹性柔顺系数与PMN-33PT单晶相同）。这一突破性成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》，为突破MEMS执行器的性能极限提供了全新材料解决方案。

研究团队采用射频磁控溅射技术，在600°C高温下于覆盖SRO/Pt/ZrO₂缓冲层的硅基底上沉积Sm-PMN-PT薄膜。通过调整溅射靶材中PMN/PT比例（10/90至90/10），结合X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认晶体结构，利用能量色散X射线谱（EDX）分析组分，并通过悬臂梁驱动实验测量压电性能。

晶体结构与组分分析

XRD图谱显示所有薄膜均呈现(100)/(001)择优取向，摇摆曲线半高宽仅0.56°，表明晶体质量优异。TEM证实薄膜为立方外延生长的单晶结构，无晶界存在。EDX分析显示实际Sm含量约1.6 mol%，略低于靶材设计值（2.5 mol%）。

介电与铁电特性

介电常数在Sm-PMN-10PT组分达到~2000，随PT含量增加逐渐降低，在50PT至70PT区间出现陡降，暗示MPB组分位于此区间。极化-电场（P-E）回线显示Sm-PMN-70PT具有最大剩余极化（20 μC/cm²），而Sm-PMN-90PT未表现出铁电性。

压电性能优化

通过体悬臂梁测试发现，Sm-PMN-50PT在10V驱动电压下|e_31,f|达24 C/m²，显著优于传统PZT薄膜（14-20 C/m²）。MEMS悬臂梁实验进一步验证其实际应用潜力，计算得到的|d_31,eff|值比高掺杂Nb的PZT薄膜（260 pm/V）提升超50%。

这项研究不仅明确了Sm-PMN-PT薄膜的MPB组分偏移现象（从块体材料的33PT移至50PT），更通过免抛光硅基底上的直接沉积技术，解决了传统PZT种子层导致的电压分配问题。尽管当前弹性柔顺系数s₁₁^p仍采用PMN-33PT单晶数据（69.0×10^-12 m²/N）进行估算，但已充分证明Sm掺杂PMN-PT薄膜在MEMS领域的巨大应用前景。未来通过Sm含量精确调控和沉积工艺优化，有望进一步释放其性能潜力，为微型传感器、精密光学器件等应用开辟新途径。