Science刊发！交大团队在这个领域取得重大突破

2022年12月13日上午10:56 • Web of Sicence • 阅读 222

12月9日（北京时间），上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料国家重点实验室教授郭益平与上海硅酸盐研究所、澳大利亚伍伦贡大学在无铅压电陶瓷材料领域取得重大突破。相关结果Giant electric-field-induced strain in lead-free piezoceramics题目发表在Science上（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2964）。该研究发现，在引入缺陷偶极子并调节相结构和铁电类结构时Sr2+掺杂的 (K,Na)NbO3（KNN）超高应变(1.05%)和逆压电系数在无铅压电陶瓷中获得（d33*~2100 pm/V），同时，该研究策略赋予压电陶瓷低驱动电场、优越的温度稳定性、抗疲劳性和低滞后性，为取代商用PZT在微电子机械系统中，铅基陶瓷铺平了道路（MEMS）、超精密加工、集成电路制造、精密光学仪器、生物工程、医学科学等领域具有广阔的应用前景。郭益平教授是本文的通讯作者，博士生皇甫庚是共同的第一作者，上海交通大学是论文的第一完成单位。郭益平教授是本文的通讯作者，博士生皇甫庚是共同的第一作者，上海交通大学是论文的第一完成单位。研究的主要合作伙伴包括中国科学院上海硅酸盐研究所徐芳芳研究员、傅正钱副研究员小组和澳大利亚伍伦贡大学Shujun Zhang教授课题组。

Science郭益平教授课题组的研究成果在线发表

目前，商用压电驱动器的氧化铅含量主要超过60wt锆钛酸铅%（PZT）在制备、使用、回收和废弃陶瓷的过程中，会对生态环境和人类社会的可持续发展造成危害。2017年8月，欧盟RoHS 指示委员会公开发布信息 2021 欧盟市场将不再免除一些铅基压电产品。美国材料研究会议是全球材料研究的风向标（MRS）， 2020 无铅压电材料分公司于年首次成立。无铅铁电压电材料已成为国际功能材料领域重要的科学前沿和技术竞争焦点。按照我国绿水青山，金山银山的基本国策，大力发展环保、绿色环保的无铅压电材料和设备。

2004年，郭益平教授创新性地制备了高压电活性正压电系数KNN基陶瓷（d33~245 pC/N）以来，KNN小信号无铅压电陶瓷d33研究取得了显著进展d已达到33值PZT但也面临着成分复杂、可重复性差、温度稳定性差等问题。大信号应用于面向驱动器d33*在压电陶瓷的开发中，从未找到与铅基相当的方法PZT陶瓷材料(低驱动电场下逆压电系数高，温度稳定性优越，抗疲劳性强，滞后性低等。因此，如何开发成分和工艺简单、针对实际应用的无铅压电陶瓷是一个亟待克服的问题。

本研究简单通过KNN中掺入Sr2+，Sr2+引入就像沙漠中的一滴甘露，不仅解决了KNN陶瓷难以烧结致密，可同时调节K+/Na+陶瓷的相结构和铁电类结构可谓一举多得。无铅压电陶瓷下形成的缺陷偶极子与铁电类的协同作用，无铅压电陶瓷（KNSN3）呈现出与PZT不同的电致应变行为和超大应变(图1)。更令人惊讶的是，KNSN压电驱动器常用的20 kV/cm在电场下，低滞后的单极应变可达0.25%，超过商PZT陶瓷。

图1 商用PZT本文提出的陶瓷和无铅压电陶瓷（KNSN3）性质对比

为解释KNSN研究人员发展了缺陷偶极子的相关理论，创新地提出了缺陷偶极子与铁电类的耦合模型。结果表明，电气性能测试、化学成分分析和第一性原理计算，KNSN在初始电场施加过程中，陶瓷中的缺陷偶极子沿外电场定向排列，导致明显的固定极化(图2)。电场下定向缺陷偶极子引起的晶格畸变和铁电类翻转引起的畸变相互影响，共同导致KNSN陶瓷的不对称应变曲线。在长期老化的过程中，KNSN保持稳定的极化和应变特性(图2)C,D），表明缺陷偶极子在初始电场缺陷偶极子在定向后具有优异的稳定性。

图2 KNSN在最初的电场施加过程中，以及老化过程中的极化和应变特性

透射电镜和球差电镜可以观察到KNSN陶瓷中有条形类和纳米类，条形类是均匀的正交相，而纳米类是各种铁电相的共存。纳米类区域丰富K+/Na+空位、原位透射电镜的试验结果表明，其晶格应变规律与电场作用下的宏观应变曲线相似(图3)。由于多相共存会降低极化偏转的势垒，缺陷偶极子可以在纳米类区域初始施加的外电场定向排列。进一步证明了大极性缺陷偶极子可以诱发明显的晶格畸变。

图3 KNSN3.电场作用下陶瓷透射电镜照片、原子像和晶格常数的变化

引入缺陷偶极子，调节相结构和铁电类结构，KNSN3陶瓷获得了巨大的应变(50 kV/cm逆压电系数约为2100 pm/V）；在低驱动电场下获得低滞后的大应变(20 kV/cm电场下应变达0.25%以上PZT陶瓷等无铅陶瓷(图4)。此外，KNSN3.它还具有优异的耐疲劳性和温度稳定性，在压电陶瓷驱动器领域具有巨大的应用潜力。本研究用无铅压电陶瓷代替商业PZT为高性能压电陶瓷材料的设计铺平的设计提供了新的视角。