下一代電子產品動力  傳統鐵電體高性能替代品

編譯／高晟鈞

萊斯大學和加州大學柏克萊分校的研究人員發現，反鐵電材料特別是鋯酸鉛，在小型化時比傳統壓電材料表現出明顯更高的機電響應，這項突破可能會導致更有效率、更強大的小型電子設備的開發。

壓電效應是什麼?

有些物質在施加壓力後會產生電流，這種現象便被稱為「壓電效應」（Piezoelectricity），是一種機械應力產生的電流現象。聽起來或許很抽象，但其實壓電效應的應用在生活中很常見，像是打火機、瓦斯爐都是藉此來點火的。

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此外，壓電效應也被大量用於下一代電子產品，包含電容器、驅動器、感測器或陀螺儀等。然而，要將機電響應元件整合至「亞微米」尺度的系統非常困難。因為當傳統壓電材料縮小到尺寸小於一微米（1,000 奈米）時，它們的性能會因基底的干擾而顯著下降，削弱它們響應電場而改變形狀的能力；或者相反，響應形狀的變化而產生電壓（機電性能、機電響應）。

這就像是在飛機上坐在三排相連座位的中間，正常尺度下旁邊是沒有人的，因此如果你覺得熱或不舒服（外界壓力），就可以輕易調整你的坐位與姿勢（電流響應）；然而在微米尺度下，旁邊就像是坐著兩名七尺巨漢，夾在中間的人連呼吸都困難。而如果用量化後的標準來看，壓電材料在正常尺度下的表現是10分，那麼在微米尺度便只有1-4左右。

反鐵電材料──鋯酸鉛

對此，研究人員發現，由反鐵電材料鋯酸鉛（PbZrO₃）在最小至4奈米時，產生的機電響應比傳統的壓電材料高出了5倍之多。

令人驚訝的是，研究人員發現，在小至奈米尺度的情況下，材料的「擠壓」現象，不僅不會干擾材料性能，實際上正好相反，它正是增加機電響應的助力之一。

如今，透過進一步了解這些薄膜材料的特性，研究團隊有望開發出更小、更強的機電設備或微型機電系統，甚至有望突破至奈米尺度，使用更少的能源做更多的事。

資料來源:ScitechDaily

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