中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，Nature Materials期刊（影響因子39.7）以“設計具有高壓電效應的鐵電陶瓷材料”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，報道了他們在高性能壓電陶瓷的設計合成方面取得的重大突破?；谖ㄏ罄碚摵拖鄨?chǎng)模擬，李飛及其合作者們提出了一種新的設計策略（圖一），即：通過(guò)引入局部異質(zhì)結構來(lái)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。研究團隊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1500 pC/N的壓電系數（圖二），介電常數超過(guò)13000，居里溫度為89℃。通過(guò)低溫介電性能、同步輻射X-射線(xiàn)衍射和高分辨球差電鏡實(shí)驗（圖三），研究團隊進(jìn)一步驗證了Sm摻雜PMN-PT陶瓷高壓電效應與局域結構的關(guān)系。這一研究工作為高性能壓電材料設計提供了一種新的思路和范例，可能用于諸多功能材料的設計合成中。
圖一 引入局部異質(zhì)結構來(lái)提升性能的設計思路和相場(chǎng)模擬結果
圖二 稀土元素Sm摻雜提升PMN-PT陶瓷壓電系數的實(shí)驗結果
圖三 高分辨球差電鏡驗證了Sm-PMN-PT陶瓷在納米尺度上結構的不均勻性
Nature Materials同時(shí)還以“通過(guò)增強（結構）無(wú)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（現任斯洛文尼亞Jozef Stefan研究院電子陶瓷研究部主任）對這個(gè)重大突破的評價(jià)：“引入化學(xué)和結構的局部無(wú)序，結合相場(chǎng)模擬和實(shí)驗，發(fā)現稀土摻雜能增強PMN-PT的無(wú)序，使能量曲線(xiàn)扁平化，在Sm摻雜的成分中獲得了1500 pC/N的壓電系數，這是目前已知壓電陶瓷的最高性能” “可以設想在低成本和大規模生產(chǎn)的前提下，用這種陶瓷來(lái)替代壓電器件中的單晶，并獲得可以比擬的性能”。對該工作的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應用價(jià)值給出了高度贊許。目前，該工作已被包括美國能源部網(wǎng)站、pro-physik、Phys.org等多家科技學(xué)術(shù)網(wǎng)站進(jìn)行了跟蹤報道。
課題組與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、美國南加州大學(xué)合作，已利用新開(kāi)發(fā)的壓電陶瓷設計并制作了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），在高分辨醫學(xué)成像領(lǐng)域中展現出應用潛力。
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
