近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室和材料学院教授孙军、丁向东团队与清华大学团队合作，在铌酸银（AKN）基薄膜中构筑了可动态重构的点缺陷序构：极化子—缺陷（polaron-defect，PD）复合体序构，由此形成PD-AKN材料体系。相关成果发表在《科学》上。
压电响应不仅取决于电场能够诱导多大的极化和晶格形变，也取决于这些变化能否及时跟随外场。本征电偶极具有较快的响应动力学，但在中等电场下，可逆极化调制及晶格位移的幅度通常有限。离子缺陷跨越多个晶胞重新分布，可以建立较大的缺陷极化和晶格形变，却受到较高迁移能垒的制约，响应会随工作频率升高而显著衰减。两类机制由此形成响应幅值与工作频率之间的明显权衡，即“快而小”与“大而慢”。
PD-AKN的设计思路与千赫兹性能。西安交通大学供图PD-AKN的设计核心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。与离子缺陷的长程迁移不同，这种电子介导的局域重构具有更快的动力学，同时保持对晶格的显著调制能力，为协调响应幅值与工作频率提供了新的设计范式。
研究显示，随直流偏压升高，二次谐波信号的背景与局域热点同步增强，偏振分析显示PD复合体经历“取向—延展”的两阶段演化；原位4D-STEM则直接记录到缺陷富集区域的面外晶格膨胀逐步增强。SHG与原位4D-STEM分别从介观极化状态和纳米尺度晶格结构两个层面验证了PD复合体的电场诱导演化，其在千赫兹频率下的响应能力则取决于电子小极化子的跃迁动力学。
研究团队还在中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂TiO2-x薄膜中获得了同类千赫兹机电响应，说明PD复合体设计可以跨越不同材料骨架，并不依赖传统铁电自发极化。这一结果进一步拓展了利用局域极化子、缺陷与晶格协同作用设计高性能机电材料的空间，也为块体、陶瓷等材料形态提供了新的研究思路。
PD-AKN的千赫兹超高响应表明，电子态、晶格畸变和响应动力学可以在同一材料中协同设计。带电缺陷在空间上锚定电子小极化子，外场调控其动态重构，局域电荷变化经由晶格耦合转化为宏观应变。这种极化子驱动的电荷—晶格协同响应，为在传统铁电机制之外构筑兼具大幅形变与快速动力学的机电材料提供了新的物理基础和材料设计路径。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aeg4972
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