清華新聞網3月3日電 壓電驅動器憑借其快速響應和高精度位移特性，在全球驅動器市場中占據(jù)重要地位。其性能的關鍵因素之一是壓電材料的電致應變優(yōu)值。長期以來，壓電陶瓷材料的電致應變普遍低于1%。2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種經過特殊缺陷調控的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷，其室溫電致應變高達1.04%。此后，無鉛壓電陶瓷的高電致應變成為學界關注的焦點。近年來，具有非對稱電致應變響應的無鉛壓電陶瓷不斷刷新電致應變紀錄，其背后的物理機制成為當前研究熱點。
近日，清華大學材料學院研究團隊以熱壓燒結并經退火處理的KNN陶瓷為研究對象，展示了電致應變響應與陶瓷材料厚度的特殊依賴關系，并實現(xiàn)了1.9%的超高電致應變（在室溫、3kV/mm、1Hz條件下，在100微米的薄樣品中壓電常數(shù)超過6300pm/V），相比傳統(tǒng)KNN陶瓷提升了近50倍。團隊借助同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發(fā)射光譜、分子動力學以及相場模擬等方法，揭示了氧空位的非均勻分布與短程躍遷在高電致應變響應中的關鍵作用。原位同步輻射X射線衍射與相場模擬結果表明，電場下非均勻分布的氧空位可引起樣品表面晶胞的顯著體積變化，從而導致較高的電致應變。
基于此，研究團隊提出了“化學壓電效應”（Chemopiezoelectric effect）這一新概念，用以描述壓電材料中線性壓電效應、鐵電疇翻轉、電致伸縮以及氧空位短程躍遷共同作用下的復雜電致應變現(xiàn)象，該效應與氧空位濃度及其遷移能力密切相關。該研究驗證了KNN壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布，闡釋了氧空位短程遷移機制，為壓電陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能關系提供了新的分析視角。此外，該KNN壓電陶瓷還展現(xiàn)出良好的頻率穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性能，具有通過疊層技術實現(xiàn)在壓電多層驅動器中應用的潛力。
KNN壓電陶瓷高電致應變的影響因素及機理分析
相關研究成果以“無鉛壓電陶瓷中化學壓電效應引起的高電致應變”（High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect）為題，于2月26日發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。
清華大學材料學院博士后徐澤和北京科技大學施小明博士為論文共同第一作者，清華大學材料學院劉亦軒博士、北京理工大學黃厚兵教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授、清華大學材料學院王軻研究員為論文共同通訊作者。其他重要合作者包括澳大利亞新南威爾士大學王丹陽教授、英國諾丁漢大學李明教授、英國帝國理工大學斯蒂芬·斯金納（Stephen J. Skinner）教授、哈爾濱工業(yè)大學田浩教授、清華大學材料學院博士后湯浩正、中國科學院強磁場科學中心陳峰教授等。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02092-8
供稿：材料學院
編輯：李華山
審核：郭玲
