▲第一作者：李堂源
on>论文DOI：10.1002/adfm.202202307
本工作使用相场模拟指导弛豫-铁电体系的成分设计，成功制备了具有高应变性能的钛酸铋钠（BNT）基无铅压电陶瓷；该陶瓷具有低滞后的大应变，且能工作在宽的温度区域。
压电材料是一种机械能和电能可以互相转换的功能材料，其精度高、响应速度快，可应用于生物医学、微电子和航空航天等领域。目前实际应用最广泛的压电陶瓷主要是铅基材料，比如锆钛酸铅（PZT）等。但是由于铅对人体和环境有危害，因此开发高性能无铅压电材料迫在眉睫。钛酸铋钠（BNT）基压电陶瓷具有场致应变大、居里温度高等优点，因此成为取代铅基压电陶瓷最有潜力的候选材料之一。但是由于组分设计和相变的复杂性，在宽温域内获得低滞后的大应变材料仍具有一定挑战。
通过相场模拟指导弛豫-铁电体系的成分设计（即：使用具有准同型相界的BNBT作为基元，一个铁电相作为掺杂组元），成功制备了(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xK0.47Na0.47Li0.06Nb0.99Sb0.01O2.99（简称BNBT-KNLNS）陶瓷。最后，在BNBT-KNLNS3陶瓷中获得了宽温域（25-125 °C）、大应变(0.32%-0.51%)和低应变滞后(11.1%-59.9%)的优异压电性能。其高性能可归因于高效的弛豫与铁电的可逆转变。该工作为设计高性能压电陶瓷材料提供了新的思路。首先，使用具有准同型相界（MPB）的成分作为基元，一个具有优异压电或铁电性能的成分作为掺杂组元，构建相场模型。模拟结果表明：当掺杂含量为0.03时，该材料体系具有优异的应变性能（如图1所示）。基于该设计理念，作者成功地制备了高应变性能的无铅压电陶瓷，其压电性能优于大部分目前报道的无铅材料。作者对BNBT-KNLNS100x陶瓷进行了应变性能表征（如图2所示），发现BNBT-KNLNS3陶瓷呈现出宽工作温域（25-125 °C）、大应变(0.32%-0.51%)和低应变滞后 (11.1%-59.9%)的优异压电性能。基于观察结构随温度的变化（如图3和4所示），确定了BNBT-KNLNS3具有两相共存的特征。进一步地，利用先进的带有频带激励模块的压电力显微技术并结合数据挖掘（如图5所示），发现了弛豫态和铁电态的共存从室温一直到115 ℃。总的来说，两相共存降低了相转变的自由能，利于铁电极化的翻转和延伸。在电场作用下，弛豫-铁电相转变发生，微畴向宏畴转变。当材料中含有少量的铁电相时，其可作为铁电畴形核与生长的位点。当对材料施加外电场时，已存在的铁电相的周围先被刺激，由于相对于弛豫相，铁电相的翻转和延伸更迅速，从而这加快了弛豫-铁电的相转变过程，因此获得了大的电致应变及其优异的温度稳定性能。
▲图1：理论设计与实验结果。
▲图2 BNBT-KNLNS100x陶瓷的电致应变性能。
▲图3 BNBT-KNLNS3陶瓷的晶体结构。
▲图4 BNBT-KNLNS3结构随温度的变化。
▲图5 BNBT-KNLNS3陶瓷的微观性能。
开发了无铅弛豫铁电陶瓷BNBT-KNLNS3，其具有大的电致应变及其优异的温度稳定性。特别地，在125 oC时，应变可达0.32%，而应变滞后仅为11%，且具有高的压电系数（582 pm V-1）。BNBT-KNLNS3丰富了在高温致动器中应用的无铅压电陶瓷体系。本研究表明：使用具有准同型相界的成分作为基元和一个具有优异压电或铁电性能的成分作为掺杂组元可以为设计高性能压电材料提供一条新的路径。娄晓杰现为西安交通大学教授、博士生导师、前沿电子领域中心主任；2007年博士毕业于英国剑桥大学，同年入选新加坡李光耀博士后研究员；2011年入选国家首批青年人才计划，2016年入选西安交通大学青年拔尖人才（A类）。其主要研究方向是铁电和压电材料与器件，迄今主持或承担包括国家自然科学基金在内的研究课题共十余项，在 Phys Rev Lett、Adv Mater、Adv Fun Mater、Nano Lett、Phys Rev B、Appl Phys Lett、Acta Mater等学术期刊发表论文180余篇，论文被引7000余次，个人H因子为48。https://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03/homehttps://doi.org/10.1002/adfm.202202307
