《自然·材料》重大突破：西安交大采用ZJ-6型壓電測試儀測量到高性能壓電材料

《自然·材料》重大突破：西安交大高性能壓電材料取得重大突破

西安交大正是采購了ZJ-6型精密壓電陶瓷材料和ZJ-6型壓電陶瓷材料

進(jìn)行高性能壓電材料測試

壓電材料是一種智能材料，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以及產(chǎn)生電驅(qū)動(dòng)的聲波發(fā)射和功率輸出，廣泛應(yīng)用于電子、自控、機(jī)械、航空航天等諸多領(lǐng)域。壓電材料的優(yōu)劣，直接決定了醫(yī)用B超、艦船聲吶等機(jī)電系統(tǒng)的性能，因此科學(xué)家們孜孜不倦地探索具有更高壓電性能的新材料。

近日，Nature Materials期刊（影響因子39.7）以“設(shè)計(jì)具有高壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷材料”為題發(fā)表了西安交大電信學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系教師李飛副教授及其合作者的一篇研究論文，報(bào)道了他們在高性能壓電陶瓷的設(shè)計(jì)合成方面取得的重大突破。

基于唯象理論和相場模擬，李飛及其合作者們提出了一種新的設(shè)計(jì)策略（圖一），即：通過引入局部異質(zhì)結(jié)構(gòu)來操縱界面能并改變鐵電材料的平均自由能曲面，從而進(jìn)一步提升材料壓電性能。

圖一 引入局部異質(zhì)結(jié)構(gòu)來提升性能的設(shè)計(jì)思路和相場模擬結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)成功合成出了稀土元素Sm摻雜的Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3（Sm-PMN-PT）壓電陶瓷，獲得高達(dá)1500 pC/N的壓電系數(shù)（圖二），介電常數(shù)超過13000，居里溫度為89℃。

圖二 稀土元素Sm摻雜提升PMN-PT陶瓷壓電系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過低溫介電性能、同步輻射X-射線衍射和高分辨球差電鏡實(shí)驗(yàn)（圖三），研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了Sm摻雜PMN-PT陶瓷高壓電效應(yīng)與局域結(jié)構(gòu)的關(guān)系。這一研究工作為高性能壓電材料設(shè)計(jì)提供了一種新的思路和范例，可能用于諸多功能材料的設(shè)計(jì)合成中。

圖三 高分辨球差電鏡驗(yàn)證了Sm-PMN-PT陶瓷在納米尺度上結(jié)構(gòu)的不均勻性

Nature Materials同時(shí)還以“通過增強(qiáng)（結(jié)構(gòu)）無序性獲得超高壓電性”為題刊發(fā)了歐洲科學(xué)家Barbara Malic教授及其合作者（現(xiàn)任斯洛文尼亞Jozef Stefan研究院電子陶瓷研究部主任）對(duì)這個(gè)重大突破的評(píng)價(jià)：“引入化學(xué)和結(jié)構(gòu)的局部無序，結(jié)合相場模擬和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)稀土摻雜能增強(qiáng)PMN-PT的無序，使能量曲線扁平化，在Sm摻雜的成分中獲得了1500 pC/N的壓電系數(shù)，這是目前已知壓電陶瓷的zui高性能” “可以設(shè)想在低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的前提下，用這種陶瓷來替代壓電器件中的單晶，并獲得可以比擬的性能”。對(duì)該工作的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值給出了高度贊許。

目前，該工作已被包括美國能源部、pro-physik、Phys.org等多家科技學(xué)術(shù)進(jìn)行了跟蹤報(bào)道。課題組與中國科學(xué)院深圳*技術(shù)研究院、美國南加州大學(xué)合作，已利用新開發(fā)的壓電陶瓷設(shè)計(jì)并制作了40MHz高頻超聲換能器探頭，如圖四所示。相比于利用傳統(tǒng)P5H陶瓷和PMN-PT單晶制作的超聲換能器，該換能器具有更大的成像帶寬（80%）和更高的成像靈敏度（-13dB），在高分辨醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

圖四 a 高頻超聲換能器原理圖及實(shí)物照片  b 超聲換能器性能參數(shù)。數(shù)據(jù)源于：IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 65(2), 223-230 (2018).

李飛本科、博士均畢業(yè)于西安交通大學(xué)電信學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，是電子陶瓷與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和電介質(zhì)研究中心的學(xué)術(shù)骨干，承擔(dān)了多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金的研究任務(wù)，目前在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)開展學(xué)術(shù)研究工作。該工作是由一個(gè)化的研究團(tuán)隊(duì)通力協(xié)作而完成，包括美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)和澳大利亞伍倫貢大學(xué)。論文的共同通訊作者是李飛副教授、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授以及澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授。論文作者還包括電信學(xué)院徐卓教授和西安交大畢業(yè)的林大斌博士和李純純博士。