波动局域极化：铅基与无铅钙钛矿铁电体中增强压电效应的通用指纹

为解决高性能压电材料设计缺乏普适性原子机制的问题，研究人员通过中子全散射和RMC建模定量解析16种钙钛矿铁电体的局域极化位移特征，提出"波动局域极化(PFL)"新概念，揭示其与压电系数d33的正相关性，阐明了铅基/无铅体系性能差异源于A位Pb2+的强极化特性，为设计高性能压电材料提供理论框架。

　　

在功能材料领域，压电材料能够实现电能与机械能的相互转换，广泛应用于传感器、超声换能器等器件。尽管铅基材料如PZT(锆钛酸铅)和PMN-PT(铌镁酸铅-钛酸铅)已展现出卓越性能，但其铅毒性促使无铅替代材料研发。然而无论是经典的PbZr_0.53Ti_0.47O₃(PZT53)还是新兴的(K_0.5Na_0.5)NbO₃(KNN)体系，关于其高压电性的原子机制始终缺乏普适性解释。传统理论如多相共存、单斜相形成等仅适用于特定体系，难以解释化学组分复杂的固溶体性能差异。更关键的是，无铅材料压电系数(d₃₃)始终难以突破700 pC/N，与铅基材料超1000 pC/N的性能存在显著差距。

针对这一难题，北京科技大学陈骏教授团队联合德国达姆施塔特工业大学等机构，通过创新性地定量表征局域极化特征，在《Nature Communications》发表重要研究成果。研究团队提出"波动局域极化(fluctuating local polarization, P_FL)"这一全新概念，系统揭示了其作为增强压电性通用指纹的物理机制。P_FL定义为Σ_iZ_i<>_i>ξ_i，综合考量了A/B位阳离子位移矢量(D)的幅度()和取向无序度(ξ)，首次建立了原子尺度极化特征与宏观压电性能的定量关联。

研究采用中子全散射结合反向蒙特卡洛(RMC)建模技术，对16种代表性压电材料进行三维原子构型解析；通过高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)验证局域位移分布；结合密度泛函理论(DFT)计算局部势能刚度参数k。关键技术路线包括：1)基于中子衍射数据构建超胞模型；2)同步拟合倒易空间S(Q)和实空间G(r)数据优化原子构型；3)统计8000余个位移矢量构建立体投影图；4)采用向列相有序参数S量化取向无序度ξ=1-S。

【定量描述局域极化状态】

通过RMC方法成功解析KNNS等材料的原子构型，发现高压电性材料具有更分散的位移矢量分布。以KNN50(d₃₃=120 pC/N)与KNNS(d₃₃=400 pC/N)对比为例，STEM显示后者位移矢量呈更宽的角度分布(图3)，RMC计算得到ξ_B从0.35增至0.62，验证了局域极化无序度与压电性的正相关性。

【局域极化位移矢量构型】

比较PZT基与KNN基体系发现关键差异：Pb²⁺的A位位移幅度(<>_A>≈0.4?)显著大于KNN中Na⁺/K⁺(≈0.2?)，而B位位移幅度相近(≈0.21?)。高压电材料PZT-PNN(d₃₃=1050 pC/N)同时具备大位移量(0.35?)和高无序度(ξ_A=0.77)，其立体投影图显示位移矢量呈广域分布(图2e-h)。

【波动局域极化与压电性】

建立的P_FL参数成功统一解释各类体系：La-PZT65因ξ_A从0.42增至0.78使P_FL从0.85升至1.31，对应d₃₃从100跃升至850 pC/N；BCZT虽ξ≈1但因<>_A>较小(0.13?)导致P_FL=1.1，d₃₃止步600 pC/N(图4)。DFT计算证实高P_FL对应更小的局部势能刚度k，La-PZT65的k值仅为KNNS的60%(图5)，阐明其更易发生极化翻转。

【铅基与无铅材料性能差距】

贡献度分析显示铅基材料A位贡献达45%，而无铅体系仅30%。这源于Pb²⁺的6s²孤对电子增强Pb-O轨道杂化(Supplementary Fig.7a)，而KNN中A位与氧耦合较弱。无铅材料通过B位改性提升ξ_B的空间已近饱和，因此难以突破性能瓶颈。

该研究创新性地提出P_FL作为压电材料的通用描述符，从原子尺度揭示了三大机制：1)取向无序降低极化各向异性；2)大位移幅度拓宽极化变化范围；3)二者协同作用 flatten能垒增强极化-晶格耦合。这不仅解释了MPB组分高性能的本质原因，更为设计新型压电材料提供了明确方向——通过调控A/B位化学组分协同优化和ξ值。特别是指出无铅材料需突破A位极化限制，为后续研究开辟了新路径。这项工作将局域结构特征与宏观性能相关联的研究范式，可拓展至铁磁体、超导体等功能材料体系。