压它一下就来电，通上电还会自己动，这块“石头”到底什么来头？ | 李飞

这个实验看上去并不复杂，

数据看上去也不是那么的多，

为什么你是第一个发现的？

大家好，我是李飞，来自西安交通大学。非常高兴能在格致论道为大家做报告。

我看到观众里有很多中学生、小学生，这应该是我第一次给中小学生做报告。在演讲开始之前，我首先想感谢一下组织论坛的工作人员，他们在前期做的大量工作让我意识到，这个报告可能比学术报告要难讲得多。

我今天给大家报告的题目是《一“压”就来电的智能材料》。那什么是一“压”就来电的智能材料？就是具有压电效应的材料。 

压电效应最早是在1880年由居里兄弟在石英晶体中发现的。居里兄弟中的弟弟就是我们熟知的居里夫人的丈夫。

▲居里兄弟

具体而言，就是给石英晶体加上一个力，比如敲它一下，它就会形成电场，产生能被接收到电荷，这个就叫正压电效应。实际上我们用到的按压式打火机就利用了这个原理。

反过来，如果给石英晶体加一个电场，它就会产生应变或者振动，这个就叫逆压电效应。这样看来，压电材料本质上就是一种能够实现机械能与电能转换的智能材料。

▲逆压电效应：电→力

给轮船当“眼睛”的压电材料

在压电材料被发现之初，人们并不知道它有什么用。一直到上世纪初，海洋运输变得越来越重要，人们才开始应用压电材料。

当时我们人类怎么保证海洋运输的安全呢？其实我们用到了一个最简单的方法，就是把轮船造得越大越好，这样就可以抵御海上的风浪，避免沉船。

我们都听过泰坦尼克号的故事，许多人也都看过《泰坦尼克号》的电影。泰坦尼克号是当时世界上最大的邮轮，但是它在第一次出海时，就因撞到水下的冰山而不幸沉船，导致1500多人遇难，这也是人类历史上最大的海难之一。于是，人们开始意识到，我们的轮船不仅需要大，同时还需要一双能够探查水下环境的“眼睛”。

在日常生活中，我们通常用光波或者说电磁波来探测空气中的物体。但是在水下，电磁波的传播距离非常有限。那应该如何探测水下的物体呢？要用声波。由此，压电材料第一次登上了历史舞台。

很快，法国科学家朗之万先生就发明了第一台主动声纳。朗之万就是居里兄弟中哥哥的学生。

声纳的原理其实非常简单。我们给一个压电材料加上一个电场，就会产生声波。声波发出以后打在目标物体上，目标物体就会产生回波。然后我们就能通过正压电效应接收回波，再转化成感应电信号。通过这样的过程，我们就能探测到水下物体的位置。

除了声纳以外，现在压电材料在我们生活中还有非常多的应用。比如大家比较熟悉的医疗超声，B超仪就跟声纳的原理非常相似，因为人体的70%是由水构成的。

压电性能卓越的弛豫铁电单晶

正因为压电材料这么重要，我们才一直在不断探索和研发新的压电材料来满足应用的需求。

在过去100多年时间里，材料的压电系数由之前每牛顿几个皮库提升到现在每牛顿几千皮库。为什么我们要提升压电系数呢？因为压电材料的系数越高，用它制作的声纳的探测距离就会越远，用它制作的B超的精度就有可能更高。

大家注意，下图红框中的压电材料实际上都属于铁电材料。而我今天要讲的是一类目前压电性能最高的材料：弛豫铁电单晶。

在介绍弛豫铁电单晶之前，我想先介绍一下铁电晶体的概念。

大家知道，晶体由许许多多的晶胞构成，晶胞是晶体结构的基本单元。对于普通的、非铁电的晶体来说，晶胞中的正电荷中心和负电荷中心是完全重合的，对外不显电性。而铁电晶体的晶胞的正电荷中心和负电荷中心不重合，所以就会产生一个极化矢量，我在图中用箭头来表示。

之前工作人员一再告诉我不要出现公式，所以我今天只放这一个公式：极化矢量的大小是。矢量的方向就是正负电荷之间的位移。

铁电晶体的极化矢量在每个晶胞中都是有序排列的。这是一张电镜照片，我们可以看到真实的铁电晶体的极化矢量是完全有序的排列。

而弛豫铁电单晶是铁电晶体的一个分支。它和铁电晶体相同的一点是，它的每个晶胞也有极化矢量。但不同的是，它极化矢量的排列不是那么有序。

这张图里的箭头示意极化矢量。可以看到，图中一些纳米微区的极化矢量的方向和整个基体的宏观极化方向是不相同的，有向左倒的，有向右倒的。这些极化矢量对于弛豫铁电单晶的性能有非常重要的贡献。

在介绍我的工作之前，我想先简单介绍一下弛豫铁电单晶的发现历史。 弛豫铁电单晶最早是在1970年由苏联科学家和日本科学家合成出来的。 

但一直到20多年后，也就是1997年，美国科学家Tom Shrout教授和他的博士后SE Park才对它的压电性能进行了全面系统的研究。他们发现，弛豫铁电单晶的压电性能是当时最好的压电材料的5-10倍，这为后来的压电器件的性能提升提供了具有变革性的基础，也被认为是压电材料的一个里程碑。

但是在那时候，这个晶体的生长合成非常困难，只能用溶液法，所以它的尺寸非常小，远远无法满足应用的需求。所以当时的人们非常发愁，既然有了优异的晶体，如何把它应用起来呢？如何让它长大呢？

在这个时候，我国的科学家，来自中国科学院上海硅酸盐研究所的许桂生、罗豪甦教授发现，这种晶体可以利用坩埚下降法生长，而且可以生长到很大的尺寸。

沿着这个思路，在全世界许多科学家的共同努力下，这个晶体很快就生长到了直径4英寸的大小，也就是100毫米左右。这种大小就可以支撑它用于压电器件。

▲坩埚下降法生长的弛豫铁电单晶

弛豫铁电单晶最直接的应用就是医疗B超。由于它的压电系数比之前的材料高5-10倍，所以用它制作的B超系统的成像分辨率和成像精度都得到了大幅度提升。目前大家在三甲医院看到的一些高端医疗超声探头基本都是由这种晶体制成的。

从弛豫铁电单晶这个例子大家可以看到，研究压电材料是一件非常有意义的事情，但是过程里并不是一蹴而就的。从弛豫铁电单晶的第一次出现到它真正服务于人类，前前后后各国学者花了40多年的时间，它是智慧的结晶。

目前（2023年），弛豫铁电单晶的单片售价还是很昂贵的，像我手掌大小的一片厚度0.5毫米左右的晶体，售价大概在1万元人民币以上。

为什么弛豫铁电单晶有这么好的性能？

下面就来介绍一下我的研究工作。我是从2005年开始从事弛豫铁电单晶研究的，当时我最关心的是怎样的微观结构让它具有优异的压电性能。因为只有知道了这个问题的答案，才能发展新的、具有更高性能的压电材料。

实际上，在我的研究工作刚刚开始的时候，国际上已经有非常多的相关研究了。大家普遍认为，这种高性能是源于它自由能曲面的扁平化。

当我们给弛豫铁电单晶和传统铁电单晶施加一个力的时候，由于弛豫铁电单晶的自由能曲面更加扁平，所以转动它的角度需要的能量更低。也就是在一定的应力下，弛豫铁电单晶的极化矢量转动角度会更大，因此会产生更高的压电性能。

但是这样的理解远远不能够帮助我们设计新的压电材料。因为我们并不知道是什么样的微观结构让它具有高性能，这个问题也成为了当时的国际难题。

在我看来，科学难题最难的一点就在于，研究的时候根本找不到一个合适的切入点，没有办法像写项目申请书一样设计出一个研究方案和技术路线。因为你能想到的研究方案和技术路线，前辈们大多已经尝试过了，并且已经被证明是解决不了这个问题的。

遇到这样的问题，我们能怎么办呢？这么多年的科学经历给我的第一个科研感悟就是：唯有坚持。长期的坚持会让你更加关注实验中的每一个细节，同时可能会有一些新的发现。

我的研究工作在大部分时间都没有太多的进展。一直到我博士工作的第6年快毕业的前夕，我才发现了一个非常重要的现象，我们称它为单畴弛豫铁电单晶中的低温介电弛豫现象。

▲单畴弛豫铁电单晶中的低温介电弛豫现象

这时候可能有朋友会问，这个实验看上去并不复杂，数据看上去也不是那么的多，就几条曲线，你为什么是第一个发现的？毕竟你也不是第一个研究弛豫铁电单晶的人。

实际上在我之前，这个现象已经被别的学者发现了，但是他们并没有重视这个现象，而是用简单的、传统的畴壁运动的观点解释它。

在第一次看到这个现象的时候，我的直觉告诉我它很难用传统的观点去解释。为了证明这一点，我首先研制了一种特殊的弛豫铁电单晶，也就是单畴弛豫铁电单晶。这种晶体里面没有任何畴壁，更谈不上畴壁运动。

我利用这个晶体去做实验，发现了它在液氮温度下的低温介电弛豫现象更加明显。显然这个现象无法用传统的畴壁运动的观点来解释。如此一来，这个现象就变得非常重要。

为什么重要？因为这个现象体现出了弛豫铁电单晶和普通铁电单晶最大的区别。

弛豫铁电单晶的高性能主要源于液氮温度附近的热激活过程，我们只要明确了在液氮温度附近弛豫铁电单晶微观结构的变化，那么我们就能确定它高性能的起源。

虽然说在液氮温度下去表征一个晶体在纳米尺度上的微观结构，这不是一件容易的事，但是起码这个时候我们的目标非常明确了。因此，在我博士毕业之后，我花了6年左右的时间，通过系统的实验测试和理论模拟，确定了弛豫铁电单晶中微观结构在热激活过程中的变化。

在这个温度范围内，弛豫铁电单晶主要发生了图中显示的变化。也就是在热激活以后，这些极性纳米微区从原本的状态变化到了与这些基体共线的状态，也就是它的极化矢量与基体共线了。处于这种共线状态下的极性纳米微区实际上并不稳定，很容易被外界的干扰所扰动。

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

我们看这个模拟的示意图，图中的颜色代表相应区域的极化矢量与水平方向的夹角。它对晶体的压电性能起着重要的作用。当给弛豫铁电单晶施加电场的时候，图中有一些区域的颜色明显变化得更快，这些就是共线状态的极性纳米微区。

到这个时候，我们就明白了，是这些共线状态的极性纳米微区导致了弛豫铁电单晶的高性能。

发现更高性能的新材料

显然，做这个研究的目的就是为了设计新的压电材料。那么问题就来了：我们能不能在弛豫铁电单晶中引入更多的极性纳米微区？换句话说，我们能不能精准地去调控它在纳米尺度的微观结构？

这个问题还是有一定难度的，在最开始我们并没有太多思路。

这里要讲到我的第二个感悟：做科研永远要站在前辈的肩膀上，大量地阅读文献总会让你有新的收获。比如，我们通过阅读文献得知，在上世纪90年代就有学者发现掺杂稀土元素可以改变弛豫铁电单晶在纳米尺度下的离子排列方式，这个正是我们需要的。

沿着这个线索，我们对稀土元素掺杂弛豫铁电单晶做了系统研究。在这些稀土元素中，钐（Sm）元素最有效，可以引入我们想要的极性纳米微区。

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

找到了最有效的元素后，接下来的工作就相对简单了。我们优化了它的生长工艺，研制出来了高质量的钐掺杂晶体，使压电性能提升了一倍以上。

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

这个工作也得到了学术界和产业界的高度关注，被《科学》（Science）评价为压电材料领域的重要进展，为压电器件的性能提升带来了一次新的机遇。

有了这样的新材料，我们就在思考如何应用。实际上，它可以帮助我们去突破现有的一些技术瓶颈。

比方说，眼部超声同时具备更高的成像分辨率和成像深度，但是超声的成像分辨率和成像深度是一个倒置关系，没有办法同时提高。想要突破这个瓶颈，最直接的方法就是利用新的、更高性能的压电材料去研制新的超声探头。

除了眼部超声以外，未来弛豫铁电单晶还可以在许多方面发挥重要的作用。例如用它来研制新型的、透明的超声探头，可以帮助我们突破光声成像领域成像分辨率和成像速度的制约关系。同时，还可以把它用于手机摄像头上小型化大推力的压电马达，还可以用来研制海底自供能系统中的能量搜集系统。我也希望未来会有更多的朋友跟我们一起探索它的应用。

最后，我想用这句话来结束我的演讲：问题在哪里，未来就有可能在哪里。

我们在基础问题研究中的一小步，有可能就是未来科技发展的一大步。

最后的最后，非常欢迎大家来西安交通大学。希望能够在不久的将来，在西安交通大学与大家相见。

非常感谢。