【48812】上海交大郭益平教授课题组Science发文 在无铅压电陶瓷范畴获得重大突破

　　12月9日（北京时间），上海交通大学资料科学与工程学院、金属基复合资料国家要点实验室郭益平教授课题组联合中科院上海硅酸盐研讨所、澳大利亚伍伦贡大学在无铅压电陶瓷资料范畴获得重大突破，相关效果以“Giant electric-field-induced strain in lead-free piezoceramics”为题宣布在Science。该研讨之后发现，经过引进缺点偶极子并调控相结构和铁电畴结构，在Sr2（KNN）无铅压电陶瓷中获得了超高的应变（1.05%）和逆压电系数（d*~2100 pm/V），一起该研讨战略赋予压电陶瓷具有低的驱动电场、优胜的温度稳定性和抗疲惫特性及低的滞后性，为替代商用PZT铅基陶瓷铺平了路途，在微电子机械系统（MEMS）、超精细加工、精细光学仪器、生物工程、医疗科学等范畴具有宽广的运用远景。郭益平教授为本文通讯作者，博士研讨生皇甫庚为一起榜首作者，上海交通大学为论文的榜首完结单位。研讨工作的首要合作者包含中科院上海硅酸盐研讨所许钫钫研讨员、傅正钱副研讨员课题组和澳大利亚伍伦贡大学的Shujun Zhang教授课题组。

　　现在商用的压电驱动器首要由氧化铅含量超越60wt%的锆钛酸铅（PZT）陶瓷组成，其在制备、运用、收回和抛弃过程中，都会给生态环境和人类社会可持续开展带来损害。2017年8月，欧盟RoHS 指令主张委员会揭露发布资料，标明 2021 年欧盟商场将不再豁免部分铅基压电产品。作为全世界资料研讨风向标的美国资料研讨大会（MRS）， 2020 年初次建立无铅压电资料分会。开展环境友好的无铅铁电压电资料渐渐的变成了国际上功用资料范畴的重要科学前沿和技能竞赛焦点。全力开展环境友好、绿色环保的无铅压电资料与器材，契合我国“绿水青山，便是金山银山”的基本国策。

　　从郭益平教授在2004年立异性地制备出具有高压电活性的正压电系数KNN基陶瓷（d33~245 pC/N）以来，KNN基无铅压电陶瓷在小信号d33的研讨中现已获得了明显的前进，其d33值已达到了PZT的水平，但也面临着成分杂乱、可重复性和温度稳定性差等问题。在面向驱动器运用的大信号d33*压电陶瓷开发方面，则一直未找到能够比美铅基PZT陶瓷的资料（低驱动电场下高的逆压电系数、优胜的温度稳定性和抗疲惫特性、低的滞后性等）。因而怎么开宣布成分和工艺简略、瞄准实践运用的无铅压电陶瓷是亟需霸占的难题。

　　本研讨简略地经过在KNN中掺入Sr2+，Sr2+的引进犹如沙漠中的一滴甘露，不只处理了KNN陶瓷难以烧结细密的问题，还能够一起调控K+/Na+空位和氧空位含量，以及陶瓷的相结构和铁电畴结构，可谓一举多得。因为电场效果下构成的缺点偶极子与铁电畴的协同效果，使该无铅压电陶瓷（KNSN3）呈现出与PZT不同的电致应变行为以及超大应变（图1）。更让人惊喜的是，KNSN3在压电驱动器常用的20 kV/cm电场下，低滞后的单极应变可达0.25%，超越商用的PZT陶瓷。

　　为解说KNSN3中不对称应变曲线的机理，研讨人员开展了缺点偶极子的相关理论，立异性地提出了缺点偶极子与铁电畴的耦合效果模型。电学功能测验、化学成分剖析和榜首性原理核算等依据成果得出，KNSN3陶瓷中的缺点偶极子在初始电场施加过程中沿外电场定向摆放，导致明显的固定极化（图2）。定向的缺点偶极子在电场下引发的晶格畸变和铁电畴翻转引发的畸变相互影响，一起导致了KNSN3陶瓷的不对称应变曲线。在长期老化过程中，KNSN3的极化和应变特性保持稳定（图2C,D），标明缺点偶极子能够在初始电场效果下定向后具有优异才能的稳定性。

　　图2 KNSN3在开始的电场施加过程中的极化和应变，以及老化过程中的极化和应变特性

　　经过透射电镜和球差电镜能够观察到，在KNSN3陶瓷中存在条形畴和纳米畴，条形畴区域是均匀的正交相，而纳米畴区域则是多种铁电相的共存。纳米畴区域存在丰厚的K+/Na+空位，原位透射电镜的测验成果则标明在电场效果下其晶格应变规则与微观应变曲线）。因为多相共存会下降极化偏转的势垒，因而在纳米畴区域内，缺点偶极子可被初始施加的外电场定向摆放。进一步证明了大极性缺点偶极子可诱导明显的晶格畸变。

　　图3 KNSN3陶瓷的透射电镜相片、原子像及在电场效果下的晶格常数的改变

　　经过引进缺点偶极子并调控相结构和铁电畴结构，KNSN3陶瓷获得了巨大应变（在50 kV/cm电场下应变达1.05%，逆压电系数约2100 pm/V）；在低驱动电场下获得了低滞后的大应变（20 kV/cm电场下应变达0.25%），超越PZT陶瓷和其他无铅陶瓷（图4）。此外，KNSN3还具有优异才能的耐疲惫功能和温度稳定性，展示出在压电陶瓷驱动器范畴的巨大运用潜力。该项研讨为无铅压电陶瓷替代商用PZT铺平了路途，一起也为高功能压电陶瓷资料的规划供给了全新的视角。

　　上海交通大学资料学院的博士研讨生王彬全和王杰、中科院上海硅酸盐所罗豪甦研讨员和美国弗吉尼亚理工学院Dwight Viehland教授也参加了本项研讨工作。该研讨获得了国家自然科学基金（52032012）、上海市科委要点基础研讨项目(20JC1415000)、上海交通大学金属基复合资料国家要点实验室-马鞍山轨道交通联合基金的赞助。