弛豫铁电材料：其无与伦比的介电和电机械性能背后的科学。了解这些复杂材料如何塑造先进技术的未来。
- 弛豫铁电材料简介
- 历史发展与发现
- 晶体结构与化学组成
- 极性纳米区域：起源与动态
- 介电和电机械属性
- 弛豫铁电材料与经典铁电材料的主要区别
- 合成方法与材料工程
- 传感器、执行器和能源设备中的应用
- 最新进展与新兴趋势
- 挑战、未解问题与未来方向
- 来源与参考文献
弛豫铁电材料简介
弛豫铁电材料是一种独特的铁电材料类别，其特征是弥散的相变和卓越的介电特性。与传统铁电材料不同，传统铁电材料表现出明显的相变和明确的居里温度，而弛豫铁电材料则显示出宽广的、频率依赖的介电极大值，并且缺乏长程铁电有序性。这种行为主要归因于纳米尺度极性区域的存在，通常称为极性纳米区域（PNRs），这些区域是由于组成无序和晶体晶格内局部结构不均匀性所形成的。
研究得最广泛的弛豫铁电材料是复杂的钙钛矿氧化物，例如铅镁铌酸盐（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PMN）及其与铅钛酸盐（PbTiO3，PT）的固溶体，统称为PMN-PT。这些材料的特点是高介电常数、强电致伸缩和压电响应，以及显著的温度和频率稳定性。这些特性使弛豫铁电材料在电容器、执行器、传感器和先进电机械设备等一系列应用中非常有吸引力。
弛豫行为的起源与钙钛矿结构B位阳离子随机分布密切相关，导致局部电场的产生和PNRs的形成。随着温度的降低，这些PNRs生长并相互作用，但并不会合并成宏观铁电域，导致特征性的弥散相变。因此，弛豫铁电材料的介电响应在很大程度上依赖于温度和频率，这一现象已被各种实验和理论方法广泛研究。
对弛豫铁电材料的研究受到基础科学兴趣和技术需求的推动。其独特的特性在高性能压电设备的开发中取得了显著进展，特别是在医疗超声成像、精密执行器和能量收集系统等领域。国际结晶学联合会及电气和电子工程师协会（IEEE）等领先组织，已为这些材料知识的标准化和传播做出了贡献。此外，正在进行的研究旨在设计无铅的弛豫铁电材料，以解决与铅基化合物相关的环境问题，反映出这一研究领域的动态和不断发展的特性。
历史发展与发现
弛豫铁电材料的历史发展与发现标志着材料科学领域，特别是在介电和压电材料研究中的一个重要篇章。弛豫铁电材料的起源可以追溯到20世纪50年代，当时研究人员首次在某些复杂的钙钛矿氧化物中观察到不寻常的介电行为。与传统铁电材料表现出显著的相变和明确的居里温度不同，这些材料显示出宽广的、依赖频率的介电极大值和弥散的相变。这种反常行为首次在铅镁铌酸盐（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，或PMN）中被贝尔电话实验室的科学家报告，这是固态物理和材料研究的先驱机构。
“弛豫铁电材料”这个术语后来被创造出来，以描述这一类材料，其特征是具有弛豫极化响应和缺乏长程铁电有序性。PMN及与铅锌铌酸盐（PZN）及其与铅钛酸盐（PT）的固溶体的发现为研究开辟了新的途径，因为这些材料展示了卓越的介电和电机械性能。弛豫材料独特行为归因于嵌入无极矩阵中的纳米尺度极性区域或极性纳米区域（PNRs）的存在，导致它们的弥散相变和强频率分散。
在20世纪70年代和80年代，世界各地的研究机构和大学，包括国家标准与技术研究院（NIST）和美国物理学会（APS），进行了大量研究，以阐明弛豫行为的微观机制。先进的表征技术，如中子散射、介电光谱和透射电子显微镜，在揭示弛豫铁电材料复杂的结构和动态特征方面发挥了至关重要的作用。
弛豫铁电材料的历史意义不仅在于其基础科学兴趣，还在于其技术影响。它们的发现导致高性能压电设备、执行器和电容器的发展，应用范围涵盖电信、医疗成像和精密仪器等领域。如今，关于弛豫铁电材料的研究仍然是一个充满活力的领域，诸如电气和电子工程师协会（IEEE）等组织正在努力推进这些卓越材料的理解与应用。
晶体结构与化学组成
弛豫铁电材料是一种独特的铁电材料类别，其特征是弥散相变和卓越的介电特性。它们的晶体结构和化学组成是这些异常行为的核心。大多数弛豫铁电材料基于钙钛矿结构，通式为ABO3，其中“A”和“B”是不同大小的阳离子。典型的弛豫铁电材料铅镁铌酸盐（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，或PMN）就是这一结构的例子，其中铅（Pb2+）占据A位，镁（Mg2+）和铌（Nb5+）以无序混合形式占据B位。
弛豫铁电材料的定义特征是B位的化学无序性。与传统铁电材料不同，传统铁电材料的B位通常被单一种类的阳离子占据，而弛豫铁电材料则随机分布着两个或多个不同价和离子半径的阳离子。这样的成分无序破坏了长程铁电有序性，并导致极性纳米区域（PNRs）的形成，这些PNRs是具有局部极化的纳米尺度域。这些PNRs的存在与动态性是弛豫铁电材料特征性宽广、频率依赖的介电极大值的原因。
常见的弛豫铁电材料不仅包括PMN，还包括铅钪铌酸盐（Pb(Sc1/2Nb1/2)O3，或PSN）、铅锌铌酸盐（Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，或PZN）及其与铅钛酸盐（PbTiO3，或PT）的固溶体。PT的添加可以调节这些弛豫铁电材料的特性，形成如PMN-PT和PZN-PT等材料，广泛应用于高性能压电领域。钙钛矿结构对这种替代具有很高的容忍度，允许进行广泛的化学改性和性能优化。
弛豫铁电材料的晶体结构在高温下通常是立方体的，但局部畸变和PNRs的存在可以在低温下诱导出低对称相。先进的表征技术，如中子和X射线衍射，揭示了平均结构通常保持立方体形状，而局部区域则表现出菱形或单斜畸变。这种结构复杂性是化学无序的直接结果，是弛豫铁电材料独特介电和电机械响应的关键。
对弛豫铁电材料的研究得到了美国物理学会和国际晶体学联合会等组织的支持，这些组织推动了该领域新发现的传播。对其晶体化学和结构-性能关系的持续探索继续推动电子、执行器和传感器技术的进展。
极性纳米区域：起源与动态
弛豫铁电材料的一个定义特征是存在极性纳米区域（PNRs），这些纳米尺度域表现出与周围基体不同的局部极化。这些PNRs的起源和动态对于理解弛豫材料（如铅镁铌酸盐（PMN）和铅锌铌酸盐（PZN））独特的介电和电机械特性至关重要。
PNRs的形成通常被归因于在原子尺度上存在的成分无序，特别是在钙钛矿结构的弛豫材料中。在这些材料中，B位阳离子的随机分布（例如PMN中的Mg2+和Nb5+）导致局部电场和化学不均匀性。这些不均匀性破坏了长程铁电有序性，有利于纳米尺度区域的核化，形成定向偶极子。PNRs的概念首次被提出以解释弛豫材料中观察到的宽广、频率依赖的介电极大值，这与经典铁电材料的尖锐相变显著不同。
关于PNRs的实验证据来自多种先进技术。中子和X射线的弥散散射揭示了在介电极大值温度（Tmax）之上存在短程极性相关，这表明PNRs在明显的相变温度更高时就开始形成。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和压电响应力显微镜（PFM）直接可视化了这些纳米域，确认了它们的尺寸（通常为2-10纳米）和动态性质。
PNRs的动态是复杂且依赖温度的。在高温下，PNRs是高度动态的，尺寸和方向不断波动。随着温度降低到Tmax，这些区域的大小增加，其动态减慢，但它们并不合并成宏观铁电相。相反，系统保持在由动态、相互作用的PNRs嵌入非极性基体中所特征的状态。这种动态冷冻现象是导致弛豫材料频率分散和弥散相变的原因。
为了描述无序、局部电场和PNRs形成之间的相互作用，开发了随机场和随机键模型等理论模型。这些模型有助于解释为何弛豫材料表现出高介电常数和强电机械耦合，使其在执行器、传感器和电容器等应用中具有重要价值。对PNRs的研究依然是如美国物理学会和国际晶体学联合会等组织关注的重点，它们支持该领域的新的发现传播。
介电和电机械属性
弛豫铁电材料是一种独特的无序铁电材料，其特点是卓越的介电和电机械属性。与传统铁电材料不同，后者表现出明显的相变和明确的居里温度，弛豫铁电材料则显示出弥散相变和介电响应的强频率依赖性。这种行为主要归因于嵌入非极性基体中的纳米尺度极性区域，通常称为极性纳米区域（PNRs）。这些PNRs是动态的，会随着温度和外部电场而波动，从而导致独特的弛豫行为。
弛豫铁电材料的一个显著特征是其异常高的介电常数，可以达到传统铁电材料的几倍。弛豫材料中的介电常数在宽温度范围内表现出宽广的极大值，而不是尖锐的峰值，并且这个极大值会随着施加电场的频率而变化。这种频率分散是弛豫状态的特征，紧密联系着PNRs的动态特性。广泛的温度稳定性和高介电常数使弛豫铁电材料在电容器应用中极具吸引力，特别是在多层陶瓷电容器（MLCCs）和其他需要在不同条件下保持稳定介电特性的电子元件中。
除了介电特性，弛豫铁电材料因其卓越的电机械耦合而闻名。诸如铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT）和铅锌铌酸盐-铅钛酸盐（PZN-PT）等材料表现出极高的压电系数，通常超过传统压电陶瓷（如铅锆酸钛（PZT））。这种高电机械响应是PNRs在外部电场下易于重新定向的直接结果，使其在相对较低的电场强度下能够实现大应变响应。因此，弛豫铁电材料在先进的执行器、传感器和换能器技术中应用广泛，包括医疗超声成像和精密定位系统。
- 电气和电子工程师协会（IEEE）发布了许多标准和研究文章，详细阐述了弛豫铁电材料中介电和压电特性的测量与应用。
- 国际晶体学联合会（IUCr）和美国物理学会（APS）对弛豫行为的结构起源和PNRs在确定介电和电机械响应中的作用作出了贡献。
持续的研究还在探索无铅弛豫系统以应对环境问题，诸如国家标准与技术研究院（NIST）等组织在新材料的开发和标准化中发挥着关键作用。高介电常数、强电机械耦合和广泛操作稳定性的独特组合确保了弛豫铁电材料仍然在材料科学和电子设备工程的前沿。
弛豫铁电材料与经典铁电材料的主要区别
弛豫铁电材料代表了一类独特的铁电材料，表现出与经典（或“正常”）铁电材料相比独特的介电和结构行为。根本的区别在于它们相变的性质、极化机制和微观结构特征。
经典铁电材料，如钡钛酸盐（BaTiO3）和铅钛酸盐（PbTiO3），在居里温度（TC）下从顺电状态到铁电状态经历明确的相变。这个转变特征在于自发极化，可以通过外部电场来逆转，而其介电常数在TC时会显示出显著的峰值。经典铁电材料的晶体结构通常是均匀的，其畴（均匀极化区域）相对较大且稳定。
相比之下，弛豫铁电材料，如铅镁铌酸盐（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PMN）及其固溶体，显示出在宽温度范围内的弥散相变。它们的介电常数呈宽广的、频率依赖的最大值，而不是尖锐的峰值。这种行为归因于极性纳米区域（PNRs）的存在，这些PNRs是嵌入无极基体中的局部定向偶极子纳米簇。这些PNRs在介电极大值温度以上形成，并在广泛的温度范围内存在，导致了特征性的“弛豫”响应。
另一个关键区别在于介电响应的频率依赖性。在弛豫材料中，介电常数达到最大值的温度随着测量频率的增加而向更高值转移，这是经典铁电材料中未观察到的现象。这种频率分散是弛豫行为的标志，与PNRs的动态特性及其与周围晶格的相互作用密切相关。
在结构方面，弛豫铁电材料通常在原子尺度上显示出显著的成分无序，特别是在钙钛矿晶格的B位上。这种无序破坏了长程铁电有序性，并有利于PNRs的形成。所得微观结构高度不均一，局部和全局极化状态之间的复杂相互作用。
这些差异对于应用影响深远。弛豫铁电材料因其异常高的介电常数、强电致伸缩和压电响应以及广泛的操作温度范围而受到青睐，使其在电容器、执行器和传感器中的应用具有重要价值。该领域的研究和标准化得到了诸如电气和电子工程师协会（IEEE）和国际晶体学联合会（IUCr）的支持，它们为铁电材料的进步和理解做出了贡献。
合成方法与材料工程
弛豫铁电材料的合成和材料工程对于定制其独特的介电和电机械特性以满足先进应用至关重要。弛豫铁电材料，如铅镁铌酸盐（PMN）和铅锌铌酸盐（PZN），的特征是弥散相变和强的频率依赖介电响应。在这些材料中实现所需微观结构和相纯度需要对合成方法和成分工程进行精确控制。
传统的固相反应仍然是弛豫铁电材料广泛使用的合成途径。这种方法涉及混合高纯度的氧化物或碳酸盐粉末，然后在高温下进行煅烧和烧结。尽管这种方法简单，但固态法往往导致不均匀性和次相的形成，这可能会降低弛豫行为。为了解决这些挑战，已经开发了替代化学合成技术，包括溶胶-凝胶过程、共沉淀和水热法。这些湿化学方法更有利于控制化学计量、颗粒大小和均匀性，从而改善介电和压电特性。
弛豫铁电材料的材料工程往往侧重于成分修改和掺杂策略。例如，将铅钛酸盐（PbTiO3）掺入PMN或PZN形成固溶体（例如PMN-PT，PZN-PT），可以显著提高压电系数和电机械耦合。这些固溶体中的变形相界限（MPB）特别引人关注，因为它标志着材料表现出最大功能特性的组成范围。通过对前体比和处理条件的精确控制，精细调节MPB附近的组成对于优化器件性能至关重要。
先进的材料工程还涉及控制颗粒尺寸、畴结构和缺陷化学。采用热压、火花等离子体烧结和模板颗粒生长等技术，达到具有定制微观结构的致密陶瓷。此外，采用如此如Bridgman或Czochralski等单晶生长方法，可以制造出比多晶材料具有优越电机械性能的弛豫铁电单晶。
在国际晶体学联合会和国家标准与技术研究院等组织的支持下，持续的研究继续推动对弛豫铁电材料中合成-结构-属性关系的理解。这些努力对于基于这些复杂功能材料开发下一代传感器、执行器和换能器至关重要。
传感器、执行器和能源设备中的应用
弛豫铁电材料是一种独特的无序铁电材料，其特征是弥散相变和卓越的介电与电机械特性。这些特性使它们在多种先进应用中非常有价值，尤其是在传感器、执行器和能源设备方面。
在传感器技术中，弛豫铁电材料因其高介电常数和强压电响应被广泛使用。这些材料可以将机械应力转换为电信号，具有出色的灵敏度，使其非常适合用于医疗超声换能器、水听器和振动传感器。例如，铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT）单晶，是一种著名的弛豫铁电材料，被应用于高性能医疗成像设备，提供更好的分辨率和诊断能力。弛豫铁电材料在广泛温度范围内高效工作的能力进一步增强了它们在航空航天和工业监测中对严苛传感器应用的适用性。
执行器则从弛豫铁电材料的高电机械耦合系数和应变水平中受益匪浅。这些材料可以在施加电场的情况下产生可观的机械位移，这对于精密定位系统、自适应光学和微电机械系统（MEMS）至关重要。弛豫铁电执行器的快速和可逆形变，允许在喷墨打印、光学对准和主动振动控制等应用中进行精细控制。电气和电子工程师协会（IEEE）认识到这些材料在推动执行器技术发展中的重要性，尤其在微型化和高精度设备中。
在能源设备领域，弛豫铁电材料因其在能量收集和存储方面的潜力而受到越来越多的关注。它们的高介电常数和强压电效应，使得其高效转换来自环境振动的机械能为电能，进而为无线传感器和便携式电子设备供电。此外，弛豫铁电电容器正在被开发用于脉冲电源系统和先进能量存储解决方案，因其能够快速存储和释放大量电能。研究机构如国家标准与技术研究院（NIST）正在积极研究如何优化弛豫铁电材料以满足这些应用的要求，旨在提升其性能和可靠性。
总体而言，弛豫铁电材料的独特属性，如高电机械耦合、广泛的操作温度范围以及卓越的介电行为，继续推动传感器、执行器和能源设备的创新，支持医疗保健、工业自动化和可持续能源技术的进步。
最新进展与新兴趋势
弛豫铁电材料领域的最新进展显著拓展了对这些复杂材料的基础理解和实际应用。弛豫铁电材料以其弥散相变和强的频率依赖的介电特性而闻名，长期以来因其卓越的电机械耦合和高介电常数而受到重视。近年来，研究重点放在阐明其独特行为背后的纳米结构机制，以及开发新组合和处理技术以增强这些材料在先进设备中的性能。
一个显著的趋势是探索无铅的弛豫铁电材料。传统弛豫材料如铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT）已设定了压电性能的基准，但与铅相关的环境与健康问题促使寻找替代材料。近期研究已识别出一些有前途的无铅系统，包括基于铋的钙钛矿和碱金属铌酸盐，这些材料展现出可比拟的弛豫行为和功能特性。这一发展与全球减少电子元件中有害物质的监管努力相符，如美国环境保护局和欧盟所倡导的。
先进的表征技术，特别是在纳米尺度上的应用，为弛豫行为的起源提供了新见解。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、压电响应力显微镜（PFM）和同步辐射X射线散射揭示了极性纳米区域（PNRs）及其在外部刺激下的动态演变。这些发现对完善理论模型（如随机场和随机键模型）至关重要，这些模型描述了局部结构与宏观属性之间的复杂相互作用。国家标准与技术研究院（NIST）和美国物理学会等研究机构和科学团体在推动这些实验和理论方法进展中发挥了关键作用。
新兴趋势还包括将弛豫铁电材料集成到下一代设备中。其优越的电机械和介电特性正在被应用于高性能的执行器、传感器、能量收集器和电容器。电子元件的微型化以及对柔性、可穿戴技术的需求催生了对薄膜弛豫铁电材料和复合材料的研究。学术界、工业界和标准组织之间的合作，如电气和电子工程师协会（IEEE），正在加速实验室发现向商业产品的转化。
总之，弛豫铁电材料领域正在经历快速进展，受环境需求、先进表征技术和应用前景拓展的驱动。这些趋势有望进一步增强弛豫铁电材料在现代技术中的影响力。
挑战、未解问题与未来方向
弛豫铁电材料，作为一类复杂的钙钛矿材料，由于其卓越的介电、压电和电致伸缩性能而受到广泛关注。尽管经过数十年的研究，但仍存在一些挑战和未解问题，限制了这些材料在先进应用（如执行器、传感器和换能器）中的全面利用。
首要的挑战在于弛豫状态本身的基本理解。与传统铁电材料不同，弛豫材料表现出弥散的相变和强频率依赖的介电响应，这归因于极性纳米区域（PNRs）的存在。这些PNRs的确切性质、动态行为及其演变仍是激烈争论的主题。先进的表征技术（如中子和X射线散射）提供了有价值的见解，但仍缺乏一个全面的微观理论来统一实验观察。这种理解的差距阻碍了对具有定制属性的新弛豫材料的合理设计。
另一个重大挑战是控制化学无序和组成异质性，这些都是弛豫行为的固有特征。阳离子在钙钛矿晶格中的随机分布导致局部电场和复杂的能量景观。实现可重复的合成和处理方法，最大程度地减少不必要的缺陷，同时保留有益的无序性，是一个持续的问题。此外，与铅基弛豫材料（如铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT））相关的环境影响，促使全球推动开发无铅替代材料。然而，尽管无铅弛豫材料往往表现出较差的性能，其机制理解仍不充分，这需要进一步的研究与创新。
关于弛豫铁电材料在周期性电气和机械加载下的长期可靠性和疲劳行为，仍存在未解的问题。对于实际设备的集成，理解老化、去极化和击穿机制至关重要。预测模型和加速测试方案的发展仍是一个活跃的研究领域。
展望未来，弛豫铁电材料研究的未来方向包括探索新组合，如高熵钙钛矿和有机-无机混合系统，这可能会提供增强或可调的功能。将弛豫材料集成到微电机械系统（MEMS）和柔性电子设备中，提供了额外的机会和挑战，特别是在可扩展性和与现有制造工艺的兼容性方面。学术机构、工业界和标准化机构（如电气和电子工程师协会（IEEE）和国际晶体学联合会）之间的合作对于解决这些复杂问题、建立材料表征和设备性能规范至关重要。
总之，尽管弛豫铁电材料具有巨大的潜力，但克服科学和技术障碍需要跨学科的方法、先进的表征和持续的国际合作。
来源与参考文献
