中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電材料是一種可以將機械能和電能相互轉換的智能材料，被廣泛應用于傳感器、致動(dòng)器、換能器等器件中，在生物醫療、衛星廣播和航空航天等高科技領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。近年來(lái)，隨著(zhù)環(huán)境保護和可持續發(fā)展理念的深入人心，全球范圍內對綠色經(jīng)濟、清潔能源和生態(tài)保護的關(guān)注度持續提升，無(wú)鉛壓電陶瓷材料也受到了廣泛關(guān)注。鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷因具有較大的壓電常數（d33）和較高的居里溫度（TC），被視為最有可能取代含鉛陶瓷的體系之一。目前，鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的d33值已得到明顯提升（~500 pC/N），但在實(shí)際應用中，壓電性能的溫度穩定性與d33值同樣重要，目前仍難以有效解決高d33值和優(yōu)異溫度穩定性之間的博弈問(wèn)題。
近期，北京工業(yè)大學(xué)侯育冬教授團隊和北京科技大學(xué)施小明老師團隊合作，提出了一種構筑極性拓撲疇結構來(lái)改善KNN 基陶瓷壓電溫度穩定性的有效策略。通過(guò)相場(chǎng)模擬驗證，將具有氧八體旋轉特征的0.7BiFeO3-0.3BaTiO3（BFBT）引入到0.96(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.04(Bi0.5Na0.5)ZrO3（KNN）陶瓷體系中，構建出復合體系KNN-BFBT，一方面通過(guò)多種對稱(chēng)相間朗道能、彈性能、靜電能和應變梯度能的相互作用，導致了極化的非均勻分布；另一方面，體系中局部氧八面體的畸變、傾斜和位移導致了極化的連續翻轉，從而在介觀(guān)尺度上形成了具有高密度疇壁的極性拓撲疇構型。由于極性拓撲疇構型的拓撲保護和高密度疇壁的釘扎作用，使得其能夠抵抗外界溫度的沖擊，可以在25-120 ℃的寬溫范圍內保持穩定，從而使復合體系樣品的壓電溫度穩定性得到明顯改善（在25-120 ℃溫度范圍內，d33 值僅下降約10%）。使用該樣品構建的壓電能量收集器（PEH）可以在25-120 ℃溫度范圍內持續發(fā)電，在120 ℃下，PEH 的輸出功率密度為174 μW/cm3，輸出電流密度為9.84 μA/cm2，明顯優(yōu)于其它無(wú)鉛體系的PEHs，進(jìn)一步拓寬了KNN 基PEH 的使用溫區，具有重要的應用價(jià)值。相關(guān)成果以“Thermally stable piezoelectric properties of lead-free ceramics featuring polar topological domains”為題發(fā)表于國際知名期刊《Acta Materialia》，北京工業(yè)大學(xué)博士研究生席凱彪為論文的第一作者，北京工業(yè)大學(xué)侯育冬教授和北京科技大學(xué)施小明老師為論文的共同通訊作者。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金等項目的資助。
圖1. 通過(guò)相場(chǎng)模擬驗證將具有氧八面體旋轉特征的BFBT 引入到具有R-O-T 多相共存的KNN 基體系中，可以導致極化連續旋轉，形成極性拓撲結構，這種極性拓撲結構可以在25-120 ℃溫度范圍內保持穩定。
圖2. 通過(guò)TEM，在KNN 基體系和BFBT 基體系中觀(guān)察到長(cháng)條狀的疇結構，而在KNN-BFBT 復合體系中觀(guān)察到具有高密度疇壁的極性拓撲疇構型。
圖3. 利用STEM 從原子尺度進(jìn)一步分析了極性拓撲疇的形成原因：1. 多種對稱(chēng)相中非均勻極化構型之間的相互競爭；2. 復雜的氧配位環(huán)境導致局部氧八面體畸變、傾斜和位移。
圖4. 通過(guò)PFM 證實(shí)極性拓撲疇可以在25-120 ℃溫度范圍內保持穩定。
圖5. 復合體系KNN-BFBT 的壓電溫度穩定性得到明顯改善，d33值在25-120℃溫度范圍內僅下降約10%，使用溫區得到進(jìn)一步拓寬。
圖6. 使用復合體系KNN-BFBT 構建的PEH 可以在120℃下持續發(fā)電，具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。
第一作者簡(jiǎn)介
席凱彪，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級博士研究生，導師為侯育冬教授，主要從事無(wú)鉛壓電能量收集材料的制備和研究，讀博期間以第一作者在Adv Funct Mater、Acta Mater、Nano-Micro Lett、Nano Energy、J Mater Chem A、ACS Appl Mater Interfaces、J Eur Ceram Soc、J Materiomics、J Mater Chem C等國際著(zhù)名學(xué)術(shù)刊物發(fā)表SCI論文11篇，申請國家發(fā)明專(zhuān)利3項，曾榮獲國家獎學(xué)金、北京市雨燕獎學(xué)金、北京工業(yè)大學(xué)博士研究生創(chuàng )新獎學(xué)金等多項獎勵。
