兼具大响应幅值与高频工作能力，是压电材料面向超声换能、精密驱动和微机电系统等应用的核心需求，也是长期存在的科学挑战。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孙军院士、丁向东教授团队武海军教授课题组与清华大学李敬锋教授团队合作在《科学》（Science）发表题为《极化子-缺陷复合实现超高压电性》（Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes）的研究成果。联合研究团队在铌酸银（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。在直流偏压激活下，PD-AKN在1 kHz下的场致有效压电系数达到7170 pm V-1，最大场致应变达到6.2%；频率升至10 kHz后，场致有效压电系数仍达到1090 pm V-1，展现出突出的千赫兹机电响应。
领域挑战：压电响应的幅值速度协同难题
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。
图1.PD-AKN的设计思路与千赫兹性能。本征电偶极响应迅速但可调形变有限，离子缺陷偶极可产生较大极化和形变却受慢迁移制约；电子小极化子的快速跃迁驱动PD复合体重构，使PD-AKN兼具显著的场致响应幅值和千赫兹工作能力。
极化子缺陷复合体的原子结构基础
原子分辨扫描透射电子显微镜表明，PD-AKN中存在高密度的Nb反位缺陷单元，局域成分起伏与这些缺陷的形成和聚集相伴出现。多角度成像与变焦观察进一步显示，具有空间延展性的缺陷单元在薄膜中形成高密度三维互连网络，为大量PD复合体提供结构载体。
局域应变分析显示，反位缺陷周围存在显著的晶格拉伸与压缩；原子分辨电子能量损失谱则观察到缺陷附近Nb价态降低，这与电子小极化子的形成相符。电子态变化与晶格畸变在相近的纳米尺度内逐渐衰减；结合谱学表征与理论计算，这些结果揭示了相对固定的反位缺陷、电子小极化子及其伴随畸变之间的静电—弹性耦合。
图2.PD-AKN中极化子—缺陷复合体的原子结构证据。原子尺度成像揭示了反位缺陷单元及其聚集形态，多角度和变焦观察呈现了缺陷单元的空间延展与三维网状互联特征；缺陷附近的局域晶格畸变和Nb价态变化进一步揭示了电荷局域化与晶格畸变之间的耦合。
电场驱动的极化子缺陷复合体重构
未施加电场时，PD复合体的取向近似随机，其局域极化在宏观尺度上大部分相互抵消。施加直流电场后，极化子在相邻晶格位置间定向跃迁，使PD复合体重构，从而产生较大的缺陷极化，并伴随缺陷附近局域畸变各向异性增强；叠加交流电场后，极化子快速往复跳跃，使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制，这一极化调制通过电致伸缩耦合转化为宏观应变。
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。
图3.电场驱动PD复合体动态重构。直流偏压使PD复合体由随机状态先取向、后延展，叠加小幅交流场后小极化子可在缺陷锚点附近往复跳跃；SHG和原位4D-STEM分别记录了极化相关状态的演化与缺陷富集区域的面外晶格膨胀。
电子小极化子动力学支撑千赫兹超高响应
电输运、宽频介电谱和频率弛豫分析得到约0.41 eV的有效激活能以及0.4至0.8 ms的室温弛豫时间。这些参数处于电子小极化子跃迁的特征范围；相较典型氧空位迁移过程，其较低的有效能垒和更短的弛豫时间为PD-AKN的千赫兹响应提供了动力学基础。
在这一动力学基础上，PD-AKN在1 kHz下的场致有效压电系数达到7170 pm V-1，最大场致应变达到6.2%；在5 kHz和10 kHz下，场致有效压电系数仍分别保持在2080 pm V-1和1090 pm V-1。循环测试显示，PD-AKN在10 kHz下经历超过4000万次循环后，未观察到明显的时间依赖漂移。
图4.电子小极化子动力学与PD-AKN的千赫兹机电响应。约0.41 eV的有效激活能和亚毫秒弛豫时间体现了电子小极化子的动力学优势；PD-AKN在1 kHz下分别获得7170 pm V-1的场致有效压电系数和6.2%的最大场致应变，频率升至10 kHz后仍保持1090 pm V-1的响应。
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。
西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文第一通讯作者单位。清华大学舒亮博士和西安交通大学彭古扬博士研究生为论文共同第一作者；西安交通大学武海军教授、清华大学李千副教授、北京科技大学徐坤教授和清华大学李敬锋教授为论文共同通讯作者，西安交通大学孙军院士和丁向东教授为共同作者。该工作致谢西安交通大学分析测试中心的支持。
论文链接地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972
武海军教授课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/Wu_Haijun
