在千赫兹频率下产生巨大且快速压电响应的材料对于先进机电技术至关重要。然而，其发展一直受到长期存在的幅度-速度权衡的制约：具有本征电偶极子的铁电体提供快速响应但极化有限，而离子缺陷运动产生高度可极化的缺陷偶极子但响应缓慢，限制了千赫兹速率应用。
2026年10月1日，清华大学李敬锋、李千副、北京科技大学徐坤、西安交通大学武海军共同通讯在Science在线发表题为“Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes”的研究论文。该研究提出一种基于“极化子-缺陷复合”的新型压电材料设计策略。
研究在钙钛矿结构铌酸银基无铅铁电薄膜中实现了7170 pm/V的有效压电系数和6.2%的电致应变。更重要的是，这一超高机电响应能够在千赫兹交流激励下实现，为兼顾压电材料的“大应变”和“快响应”提供了新的思路。
压电材料能够实现机械能与电能的双向高效互转，支撑了从千赫兹致动器到超声换能器等关键技术，应用于消费电子、机器人等领域。为实现下一代微型化微机电系统（MEMS），压电薄膜需要在千赫兹及以上频率下提供巨大且快速的机电响应。
长期以来，压电材料面临一个难题：大的压电应变与快的响应速度往往难以兼得。传统铁电材料依靠晶格离子位移产生压电效应，虽然其响应速度快但应变幅度难以获得突破；近年来研究发现，借助氧空位等离子缺陷可以大幅提升压电应变，但离子迁移限制了其响应速度。
极化子-缺陷复合物范式实现超高频千赫兹压电性（图源自Science）
该研究通过设计8摩尔% K掺杂的AgNbO₃（Ag₀.₉₂K₀.₀₈NbO₃）薄膜克服了这一根本限制，该薄膜被设计为通过小电子极化子与晶格缺陷之间的弹性相互作用承载动态可重构的极化子-缺陷复合物。场驱动的多单元胞极化子跳跃重构这些复合物，产生巨大的缺陷极化，而极化子跳跃（相对于离子迁移）快几个数量级的动力学使其能够快速响应。
这种协同作用在工程化铌酸银基薄膜中产生了前所未有的场诱导有效压电系数约7170皮米/伏，在千赫兹频率下应变约6.2%。
清华大学材料学院博士后舒亮和西安交通大学博士研究生彭古扬为论文的共同第一作者。清华大学材料学院教授李敬锋、西安交通大学教授武海军、清华大学材料学院副教授李千和北京科技大学教授徐坤为论文的共同通讯作者。论文重要合作者有北京理工大学教授黄厚兵、香港城市大学教授张树君、北京科技大学讲师施小明、西安交通大学孙军院士和丁向东教授等。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972
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