无铅压电陶瓷的超高电致应变

压电陶瓷材料可以实现机械能和电能的互相转换，是先进电子元件的核心关键材料，被广泛应用于驱动器、传感器、换能器、医学成像、水声探测等领域。尽管压电陶瓷从发现至今已有100多年，但目前应变最高的仍是含铅压电单晶材料Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃–PbTiO₃(PZN-PT)的1.7%，因此，寻找可替代的环境友好型的无铅压电材料是一项长期的挑战，特别是具有高应变的多晶无铅压电材料，才能满足实际的大规模应用。此外，传统提高应变的方法是通过多种离子掺杂构建两相/多相共存的结构，利用不同相结构之间的转变提高电致应变，但是这种方法会提高铁电相的晶体对称性，使其失去高温下的应用潜力。

中国农业大学罗炳程教授和清华大学王晓慧教授、李龙土院士等人提出了一种基于原子尺度缺陷工程和介观尺度畴工程设计"异性应变"来增强无铅压电陶瓷电致应变的策略。该项工作通过调控氧空位缺陷，在无织构化的纯钛酸铋钠陶瓷（BNT）中，实现了室温下1.5%和高温220 ℃下2.3%的超高应变，该性能高于最先进的压电材料，包括无铅陶瓷、铅基陶瓷、无铅单晶以及铅基单晶等。同时，该成果在BNT无铅压电陶瓷中实现了优异的应变疲劳特性。具体来说，在室温下经过110万次的疲劳测试，BNT陶瓷的应变性能未发生衰减，而在150 ℃的高温下经过30万次的循环测试，应变性能依然具有优异的稳定性，这表明所研制的无铅压电陶瓷材料在宽温度范围具有重要应用价值。

图1. 具有超高应变的无铅压电陶瓷的结构设计

图2. BNT多晶陶瓷材料的压电性能

图3. 压电材料的电致应变性能比较

此外，该成果研制的BNT陶瓷还展现出显著的应变记忆效应，通过单极输入电场和反向复位电场的调控，可实现低应变和高应变状态之间的切换，通过电场大小精准控制其应变大小，表现出稳定的应变记忆效应，在此基础上应用范围可扩展到存储器、传感器、处理器、晶体管等。该成果为高性能无铅压电材料的结构设计和性能调控提供了新的思路，大幅缩小了与铅基压电材料的差距，在传感器、存储器、晶体管、医学成像和水声探测等领域具有重要应用价值。 

图4. BNT多晶压电陶瓷的微观结构

图5. BNT多晶压电陶瓷的超高电致应变机理

这一成果近期发表在《自然•通讯》（Nature Communications）上，清华大学冯威博士和中国农业大学罗炳程教授为论文第一作者，通讯作者为罗炳程教授和清华大学王晓慧教授。

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Heterostrain-enabled ultrahigh electrostrain in lead-free piezoelectric

Wei Feng, Bingcheng Luo, Shuaishuai Bian, Enke Tian, Zili Zhang, Ahmed Kursumovic, Judith L. MacManus-Driscoll, Xiaohui Wang & Longtu Li

Nat. Commun., 2022, 13, 5086. DOI: 10.1038/s41467-022-32825-9

罗炳程教授简介

罗炳程，中国农业大学理学院应用物理系教授。2013年于中国地质大学（北京）获得学士学位，2016年于美国密歇根大学访问学习，2018年于清华大学获得博士学位。2018年至2021年在剑桥大学工作，2021年至今就职于中国农业大学。

罗炳程教授在新材料理论预测与合成、介电铁电陶瓷及复合材料、柔性电子材料与能源存储器件等方面，积累了丰富的研究经验，并取得了一系列创新性研究成果。目前，已经在Nature Communications、PNAS、Advanced Functional Materials、iScience、Carbon等期刊上共发表SCI论文60余篇。

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