静冈大学大学院综合科学技术研究科的符德胜教授及其团队，经过深入研究，终于揭示了位于MPB相界附近的PZT单晶的本征压电特性。这一发现不仅解答了长达半个多世纪的科学难题——PZT压电陶瓷中巨大压电响应的起源，还进一步阐明了铁电畴效应等外部效应在薄膜应用中的关键作用。该研究成果不仅为铁电压电材料的研究提供了新的方向，更有望推动压电薄膜在MEMS器件等领域的创新应用。相关论文已由美国化学学会的专业期刊《ACS Applied Electronic Materials》接收，并于2024年8月28日在线发表。
本研究专注于探索MPB附近正方形PZT晶体的固有压电特性。通过巧妙利用不锈钢基板的热膨胀产生的压缩应力，以及LaNiO3的稳定生长面（100），研究者成功制备了沿PZT薄膜c轴（即极化轴）方向生长的薄膜。由于在c轴取向膜中消除了非180度畴反转带来的外在压电影响，因此能够更清晰地观察到正方形晶体极化轴方向上的固有压电效应。实验结果显示，MPB成分的PZT正方相晶体具有3 ± 4 pm/V的压电常数d33。这一结果与第一原理计算预测的正方相PZT单晶室温压电值（50～55 pm/V）高度一致。

值得注意的是，单晶的压电常数仅为陶瓷d33值（220 pm/V）的五分之一，这表明MPB相界附近的PZT陶瓷所展现出的巨大压电效应，并非源自晶格的固有压电特性，而是主要归因于畴的运动等外部因素。因此，在薄膜应用中，为了获得显著的压电效应，必须充分利用畴运动等外部效应。这一重要发现为MEMS器件等领域中的PZT薄膜材料设计提供了新的思路。

图1展示了c轴取向PZT薄膜的生长机制。通过巧妙利用不锈钢基板的热膨胀产生的压缩应力，以及LaNiO3的稳定生长面（100），研究者成功制备了沿PZT薄膜c轴方向生长的薄膜。这一生长机制对于理解PZT薄膜的压电特性至关重要。

图2展示了c轴取向PZT薄膜的XRD图谱。通过分析该图谱，可以进一步确认PZT薄膜的c轴取向生长，并深入了解其晶体结构。这对于研究PZT薄膜的压电性能及优化生长条件具有重要意义。

图3展示了D-E回线，即反转电流与电场诱导形变的关系。通过分析该回线，可以进一步研究PZT薄膜的电学性能，包括其反转电流与电场的关系，以及电场诱导的形变行为。这对于深入了解PZT薄膜的压电效应和优化其电学性能至关重要。
图4展示了PZT薄膜的压电常数d33及其自发极化Ps。通过分析这些参数，可以更深入地研究PZT薄膜的压电性能，包括其对外界刺激的响应能力以及内部自发极化的特性。这对于提升PZT薄膜在传感器、执行器等领域的性能具有重要意义。
图1展示了PZT陶瓷与单晶的压电系数比较。通过深入研究，我们成功解答了自1952年以来一直困扰学术界的PZT陶瓷巨大压电效应的起源问题，这一突破性成果在压电材料领域具有里程碑意义。预计该发现将进一步推动压电材料的设计创新和新应用领域的探索。
PZT陶瓷的内在压电性研究论文已经发表，该论文由Desheng Fu、Seiji Sogen和Hisao Suzuki共同撰写，并收录在2024年的《ACS Applied Electronic Materials》期刊中。您可以通过以下链接获取更多详细信息：https://doi.org/1021/acsaelm.4c00862。