Origin of giant electric-field-induced strain in faulted alkali niobate films

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作者
Moaz Waqar,Haijun Wu,Khuong P. Ong,Huajun Liu,Changjian Li,Ping Yang,Wenjie Zang,Weng Heng Liew,Caozheng Diao,Shibo Xi,David Joseph Singh,Qian He,Kui Yao,Stephen John Pennycook,John Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 3922-3922 被引量:41
标识
DOI:10.1038/s41467-022-31630-8
摘要

A large electromechanical response in ferroelectrics is highly desirable for developing high-performance sensors and actuators. Enhanced electromechanical coupling in ferroelectrics is usually obtained at morphotropic phase boundaries requiring stoichiometric control of complex compositions. Recently it was shown that giant piezoelectricity can be obtained in films with nanopillar structures. Here, we elucidate its origin in terms of atomic structure and demonstrate a different system with a greatly enhanced response. This is in non-stoichiometric potassium sodium niobate epitaxial thin films with a high density of self-assembled planar faults. A giant piezoelectric coefficient of ∼1900 picometer per volt is demonstrated at 1 kHz, which is almost double the highest ever reported effective piezoelectric response in any existing thin films. The large oxygen octahedral distortions and the coupling between the structural distortion and polarization orientation mediated by charge redistribution at the planar faults enable the giant electric-field-induced strain. Our findings demonstrate an important mechanism for realizing the unprecedentedly giant electromechanical coupling and can be extended to many other material functions by engineering lattice faults in non-stoichiometric compositions.

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