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Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity

铁电性 压电 材料科学 透明度(行为) 压电系数 电场 光电子学 光学 复合材料 计算机科学 物理 电介质 计算机安全 量子力学
作者
Chaorui Qiu,Bo Wang,Nan Zhang,Shujun Zhang,Jinfeng Liu,David Walker,Yu Wang,Hao Tian,Thomas R. Shrout,Zhuo Xu,Long‐Qing Chen,Fei Li
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:577 (7790): 350-354 被引量:626
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1891-y
摘要

Transparent piezoelectrics are highly desirable for numerous hybrid ultrasound–optical devices ranging from photoacoustic imaging transducers to transparent actuators for haptic applications1–7. However, it is challenging to achieve high piezoelectricity and perfect transparency simultaneously because most high-performance piezoelectrics are ferroelectrics that contain high-density light-scattering domain walls. Here, through a combination of phase-field simulations and experiments, we demonstrate a relatively simple method of using an alternating-current electric field to engineer the domain structures of originally opaque rhombohedral Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) crystals to simultaneously generate near-perfect transparency, an ultrahigh piezoelectric coefficient d33 (greater than 2,100 picocoulombs per newton), an excellent electromechanical coupling factor k33 (about 94 per cent) and a large electro-optical coefficient γ33 (approximately 220 picometres per volt), which is far beyond the performance of the commonly used transparent ferroelectric crystal LiNbO3. We find that increasing the domain size leads to a higher d33 value for the [001]-oriented rhombohedral PMN-PT crystals, challenging the conventional wisdom that decreasing the domain size always results in higher piezoelectricity8–10. This work presents a paradigm for achieving high transparency and piezoelectricity by ferroelectric domain engineering, and we expect the transparent ferroelectric crystals reported here to provide a route to a wide range of hybrid device applications, such as medical imaging, self-energy-harvesting touch screens and invisible robotic devices. The use of alternating-current electric fields to control domain size in ferroelectric crystals affords excellent transparency, piezoelectricity and birefringence.
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