清华大学材料学院在高性能无铅压电陶瓷材料领域取得进展

颗粒在线讯：压电陶瓷材料可实现电能与机械能的相互转换，是信息通讯、生物医疗、军工国防等领域中核心器件的关键材料。高性能环境友好型无铅压电陶瓷是国际上功能材料的重要科学前沿和技术竞争焦点之一。目前，以铌酸钾钠（KNN）体系为代表的无铅压电陶瓷的压电常数（d33）已经可以媲美含铅压电陶瓷，并在超声雾化、水声换能等领域逐步替代传统铅基压电陶瓷。尽管如此，人们对无铅压电陶瓷压电响应增强的物理机制仍然认识有限，严重限制了其功能特性的进一步调控。此外，在大功率工作条件下，材料的介电、压电和弹性性能参数往往受到非线性响应的限制，器件性能也易受高频机械损耗引起的发热所限制。因此，如何协同提高无铅压电陶瓷的机械品质因数（Qm）与d33是其面向大功率实际应用的重要科学挑战。

为阐明KNN基无铅压电陶瓷优异压电响应的来源，清华大学材料学院王轲研究员等与国内外合作，通过精细的成分调控设计并制备了一系列组分位于正交-四方相界附近的KNN陶瓷。用高能原位变电场同步辐射、高分辨透射电子显微镜等表征手段，系统研究了高性能KNN材料的本征相结构以及材料在原位电场下的结构-性能关系。研究表明，材料优异的机电耦合响应不仅与正交-四方的铁电两相共存结构有关，更与该能量相近的两相在电场的扰动下发生可逆相转变紧密相关。相变诱导的剧烈体积变化，在{200}晶体学方向上贡献了高达1250 pm/V的等效压电常数，该场致相变是材料呈现优异压电性能的重要原因。这项工作揭示了除晶格应变和铁电畴翻转机制之外的一种全新机制，对提高压电材料的机电耦合性能，进一步调控钙钛矿材料的功能特性有重要指导意义。

图1.原位同步辐射表征揭示无铅压电陶瓷高压电响应物理机制：场致相变引发的体积变化贡献特殊晶体学方向上的超高应变

上述成果以“(K,Na)NbO3基压电陶瓷中相变引发超高压电响应的起源”（Deciphering the phase transition-induced ultrahigh piezoresponse in (K,Na)NbO3-based piezoceramics）为题，近日发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。清华大学材料学院硕士毕业生张茂华（2022年5月获德国达姆施塔特工业大学博士学位）为文章的第一作者。清华大学王轲研究员、西安交通大学张楠教授、西南民族大学吴波副教授为文章的共同通讯作者。论文的重要合作者还包括清华大学李敬锋教授，达姆施塔特工业大学尤尔根•罗德尔（Jürgen Rödel）教授、张洪彬教授，卡尔斯鲁厄理工学院曼努埃尔•欣特施泰因博士（Manuel Hinterstein）等。

另一方面，受制于压电材料Qm与d33此消彼长的制约关系，KNN陶瓷的大功率输出一直难以有效提高。为此，研究团队提出了利用调节氧空位浓度协同优化压电陶瓷各项优值参数的新策略，成功实现了在d33几乎保持不变的基础上Qm提升60%以上。高分辨透射电镜原子像表明，氧空位会引起晶格畸变与应力失配，可在保持本征压电贡献的同时抑制畴壁运动，从而有效平衡压电材料的Qm与d33。此外，该方法不引入受主离子，故而消除了受主掺杂改性方法中缺陷偶极子翻转带来的本征损耗。基于脉冲驱动法的大功率测试结果显示，经过氧空位优化的KNN陶瓷，其Qm在大功率工况下的服役稳定性明显优于目前报道的同类材料。这项研究为今后功能材料的缺陷设计和性能调控提供了新的思路，在水声探测、先进制造、健康医疗等领域有着重要的应用价值。

图2.探索提高无铅压电陶瓷大功率输出新途径：KNN陶瓷的氧空位缺陷设计与电学性能协同调控

上述成果以“无铅压电材料单一氧空位硬化”（Isolated-Oxygen-Vacancy Hardening in Lead-FreePiezoelectrics）为题，发表在国际知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。清华大学材料学院2017级博士生刘亦轩（已于2022年6月获博士学位）为文章的第一作者。清华大学李敬锋教授、王轲研究员以及北京大学口腔医院韩冰教授为文章的共同通讯作者。论文的重要合作者还包括西安交通大学武海军教授、中国工程物理研究院研究生院徐贲副研究员以及乌镇实验室的龚文博士等。

以上两项工作均得到了国家自然基金委科学中心项目、重点项目，以及科技部国家重点研发计划等项目的支持。