一个曾被认为“存在于薄膜里”的微观结构，如今被搬进了真正能造器件的块体晶体——而且性能大幅跃升。
上海师范大学，香港理工大学，北京理工大学，香港城市大学，澳大利亚新南威尔士大学的联合研究团队，在块体铁电晶体内部发现并“人为可控地制造”出拓扑涡旋结构，让压电材料的性能实现大幅提升。相关论文以“Topological piezoelectricity in bulk ferroelectrics”为题，发表于国际顶级期刊《自然·材料》（Nature Materials）。
我们生活中许多“隐形”的关键技术，都离不开压电材料——
- �� 医院里的超声成像探头
- �� 水下的声呐系统
- ⚙️ 工业里的高精度驱动器
- �� 手机、汽车里的微型传感器
压电材料的作用，是在“机械能”和“电能”之间高效转换。响应越强，器件就越灵敏、越强大。
长久以来，科学家们便注意到一种奇特的微观构型——拓扑涡旋：自发极化在纳米尺度上呈涡旋状排列，结构极为稳固，只能成对产生或湮灭。尽管这种结构蕴含着卓越的物性潜力，但其存在几乎被局限在超薄薄膜和人工氧化物超晶格中。相比之下，生长工艺成熟、可批量化生产的块体晶体，才是当前医疗超声、高精度致动与水声探测等商用器件领域当之无愧的“工业主力”。然而，正是在这种承载着绝大多数产业应用的核心材料内部，拓扑涡旋的可控制造始终是一项空白。
由上海师范大学王飞飞教授，崔安阳研究员，香港理工大学陈子斌教授，北京理工大学黄厚兵教授，香港城市大学张树君教授，新南威尔士大学王丹阳教授及其他合作者领衔的团队，另辟蹊径，从材料的纳米能量景观入手。他们首先通过相场模拟发现：拓扑涡旋的密度越高，宏观压电性能越强。在此基础上，团队独创了“力辅助直流极化（MDCP）”策略——在对晶体进行电极化的同时，施加单轴压应力。这套“电+力”的组合拳，重新调配了晶体内部弹性能、静电能与梯度能之间的竞争关系：把原本微米级的条状畴细化为致密的纳米畴网络，并让普通畴壁分解成大量稳定的涡旋—反涡旋对。先进的球差校正透射电镜、原位TEM及压电力显微镜（PFM）平台，让团队得以直接“看见”这些全新的微观结构演化，并证实涡旋核周围确实存在增强的局部应变。
图1. 畴结构与电学性能调控的示意图
图2. 畴结构的原位TEM实验与相场模拟
在铌镁酸铅–钛酸铅（PMN-PT）单晶中，MDCP 技术带来了惊人提升：
表1.MDCP处理后的PMN-30PT的压电和介电性能
而且，这些性能改善并未牺牲材料的热稳定性和长期可靠性。更令人振奋的是——这套方法普适性强。当团队把它推广到其他铅基和无铅铁电晶体时，均实现了有效提升，尤其在钐掺杂 PMN-PT 晶体中实现了高达 5,370 pC N⁻¹ 的巨压电系数，大幅超越该体系此前的报道值。
图3. PMN-30PT的温度依赖性、电场响应与老化行为
这项成果意味着什么？
✅ 推翻旧认知：证明拓扑涡旋不只属于薄膜，也能在实用块体晶体中被制造和调控。
✅ 工艺可放大：MDCP 方法简单、可扩展，不损害器件所需的稳定性与可靠性，为产业化奠定基础。
✅ 打开新维度：把“拓扑结构”从薄膜里的稀奇现象，变成可主动调控宏观性能的实用工具。
从“看得见用不上”到“造得出、调得动、性能更强”，这项突破正为医用超声、声呐、传感等高端电子技术，铺就一条简单、可放大、可持续的高性能材料新路径。未来，随着这一策略被推广到更广泛的铁电体系和器件架构中，实验室里的发现，正一步步走向真实世界的应用。
上海师范大学王飞飞教授、崔安阳研究员、香港理工大学陈子斌教授、北京理工大学黄厚兵教授，香港城市大学张树君教授为论文共同通讯作者。
论文链接：Topological piezoelectricity in bulk ferroelectrics | Nature Materials
