中南大学张斗团队在无铅压电陶瓷领域取得重要突破
中南大学张斗团队在无铅压电陶瓷领域取得重要突破
中南大学张斗团队在无铅压电陶瓷领域取得重要突破，通过深入研究KNN基陶瓷的原子尺度铁电畸变，成功实现了压电性能与温度稳定性的协同优化。这一研究成果发表在Nature Communications上，为解决无铅压电陶瓷的实际应用难题提供了新的思路。
研究背景
新型环境友好型无铅压电陶瓷已成为领域发展的必然趋势，亦成为当前高技术新材料的研发热点。在无铅压电陶瓷体系中，铌酸钾钠（KNN）经过多元素掺杂和多晶型相界调控，已经获得了可与商业铅基压电陶瓷媲美的压电性能。然而，KNN基压电陶瓷中利用多元素掺杂实现的相界面一般称之为多晶型相界（polycrystalline phase boundary, PPB），PPB对温度敏感性较强，温度的变动很容易导致偏离相界，从而使得介电和压电性能恶化。KNN基压电陶瓷中一个悬而未决的问题就是其较差的温度稳定性，显著限制器件研发与应用。
成果介绍
该研究通过对掺杂引起的局部结构变化的深入分析，从理论上证明了隐藏在平均相结构中两种不同的原子尺度铁电畸变。此外，还阐明了这些畸变如何与相界相互作用。基于这种物理理解，研究人员提出了解决无铅压电陶瓷实际性能挑战的策略。通过调制掺杂点的局部朗道能垒，研究人员有效缓解了压电d33的波动。该方法使铌酸钾钠陶瓷在室温到100°C的最小温度波动范围（△d337%）内实现了优异的430pC/N的d33。通过退火进一步优化，将温度提高到150°C（△d338%），同时保持380pC/N的高d33，与经典的温度稳定锆钛酸铅的性能相媲美。该研究为解决无铅压电陶瓷中高压电系数和温度稳定性不足之间的难题建立了一个框架。
图文解析
图1 对KNN基陶瓷常见掺杂元素的密度泛函计算，揭示了掺杂位点两种典型的、截然相反的铁电畸变。(a)键长差异和(b)能量势垒的定义：顺电相与铁电相之间的能量差异描述了极化能量势垒，而键长差异描述了掺杂位点局部铁电畸变的大小。使用超晶胞进行的DFT计算针对无掺杂的KNN和Li、Ta、Zr、Hf、Sb、Bi、Ba掺杂的KNN。两种代表性的A位局部铁电畸变（LFD），其中Ba（d1）在[011]方向上引起的铁电位移小于K/Na，而Li（d2）引起的位移更大。两种不同A位LFD对周围Nb-O八面体的影响，其中减小的LFD导致最近Nb-O八面体的铁电畸变减少（e1），而增强的LFD导致最近Nb-O八面体的铁电畸变增加（e2）。在外场下，局部（f1）减小和（f2）增强LFD对周围极化响应的原子尺度物理图像。
图2 KNN、KNNLi1和KNNBa1的相结构、铁电性、介电和压电特性。通过实验比较了两种不同的A位LFD对宏观性能的影响。尤其地，在相近的相界结构下，降低的A位LFD(Ba)导致介电和压电性能的显著上升，而升高的A位LFD导致相反的结果。(a) XRD原位测试，(b)剩余极化强度Pr，(c)与温度相关的介电常数和(d) KNN、KNNLi1和KNNBa1的d33。三个样品显示出相似的平均相组成，但宏观性能不同。增强的局部铁电畸变（Li掺杂的KNN）导致Pr增加和介电常数减少，而减小的局部铁电畸变则导致Pr减少和介电常数增加。由于增强的介电常数在d33中起主要作用，因此无论是在单一相区域还是在正交-四方相界，减小的局部铁电畸变均有利于d33的增强。
图3：协同提高d33和温度稳定性及相应性能的策略示意图。具体而言，该策略通过减少A位局部铁电畸变（LFD）来实现（a1）。一方面，在基体中引入大量具有减小LFD的区域以促进极化旋转（a2）。另一方面，将正交-四方（O-T）相峰移动到室温以上，以构建扩散型相变（PPT）相界（a3）。红色箭头表示减少的局部能量势垒可以补偿由于破坏室温PPT（即将O-T温度移动到室温以上）而导致的损失。KNN-5.5(Bi0.5,K0.5)1-xBaxZrO3（x=0, 0.27, 0.36, 0.45）的（b）与温度相关的介电常数和（c）d33。
图4：压电系数和热稳定性增强机制分析。a0.945KNN-0.055(Bi0.5, K0.5)1-xBaxZrO3（x=0和x=0.36）的与温度相关的剩余极化强度Pr。温度相关的相组成分别为(b) x=0和(c)x=0.36。d, e原子尺度下沿[001]带轴的HADDFSTEM观测：(d1) x=0体系和(d2)x=0.36体系的极化长度；(e)x=0.36体系沿[110]晶带轴的原子尺度HADDFSTEM观测，显示R-O-T多相共存，伴随大量减少的局部铁电畸变。f室温、O-T峰时及超过O-T峰时的势能曲线示意图。
图5：x=0.36陶瓷的优异综合性能。a与无铅系统(参考文献40,41,42,43,44)和PZT-5A (参考文献47)的d33和居里温度(Tc)比较；b与其他典型无铅系统(参考文献16,32,49,50)和PZT-5A (参考文献48)的热稳定性比较。性能对比的结果显示该研究解决了无铅压电陶瓷以往面临的温度稳定性难题，这表明通过深入挖掘无铅陶瓷的内在机理，能够有效解决实际应用性能的挑战。
通讯作者：张斗、张树君
通讯单位：中南大学、澳大利亚伍伦贡大学
发表期刊：Nature Communications
发表时间：2024.10
DOI：10.1038/s41467-024-53020-y