西安交大科研人员在高性能压电陶瓷设计合成研究中取得重大突破

压电材料是一种智能材料,能够实现机械信号与电信号的转换,以及产生电驱动的声波发射和功率输出,广泛应用于电子、自控、机械、航空航天等诸多领域。压电材料的优劣,直接决定了医用B超、舰船声呐等机电系统的性能,因此科学家们孜孜不倦地探索具有更高压电性能的新材料。

近日,Nature Materials期刊(影响因子39.7)以“设计具有高压电效应的铁电陶瓷材料”为题发表了西安交大电信学院电子科学与技术系教师李飞副教授及其合作者的一篇研究论文,报道了他们在高性能压电陶瓷的设计合成方面取得的重大突破。基于唯象理论和相场模拟,李飞及其合作者们提出了一种新的设计策略(图一),即:通过引入局部异质结构来操纵界面能并改变铁电材料的平均自由能曲面,从而进一步提升材料压电性能。研究团队成功合成出了稀土元素Sm掺杂的Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3(Sm-PMN-PT)压电陶瓷,获得高达1500 pC/N的压电系数(图二),介电常数超过13000,居里温度为89℃。通过低温介电性能、同步辐射X-射线衍射和高分辨球差电镜实验(图三),研究团队进一步验证了Sm掺杂PMN-PT陶瓷高压电效应与局域结构的关系。这一研究工作为高性能压电材料设计提供了一种新的思路和范例,可能用于诸多功能材料的设计合成中。

图一 引入局部异质结构来提升性能的设计思路和相场模拟结果

 

图二 稀土元素Sm掺杂提升PMN-PT陶瓷压电系数的实验结果

 

图三 高分辨球差电镜验证了Sm-PMN-PT陶瓷在纳米尺度上结构的不均匀性

 

Nature Materials同时还以“通过增强(结构)无序性获得超高压电性”为题刊发了欧洲科学家Barbara Malic教授及其合作者(现任斯洛文尼亚Jozef Stefan研究院电子陶瓷研究部主任)对这个重大突破的评价:“引入化学和结构的局部无序,结合相场模拟和实验,发现稀土掺杂能增强PMN-PT的无序,使能量曲线扁平化,在Sm掺杂的成分中获得了1500 pC/N的压电系数,这是目前已知压电陶瓷的最高性能” “可以设想在低成本和大规模生产的前提下,用这种陶瓷来替代压电器件中的单晶,并获得可以比拟的性能”。对该工作的学术意义和实际应用价值给出了高度赞许。目前,该工作已被包括美国能源部网站、pro-physik、Phys.org等多家科技学术网站进行了跟踪报道。

课题组与中国科学院深圳先进技术研究院、美国南加州大学合作,已利用新开发的压电陶瓷设计并制作了40MHz高频超声换能器探头,如图四所示。相比于利用传统P5H陶瓷和PMN-PT单晶制作的超声换能器,该换能器具有更大的成像带宽(80%)和更高的成像灵敏度(-13dB),在高分辨医学成像领域中展现出应用潜力。

图四 a 高频超声换能器原理图及实物照片  b 超声换能器性能参数

数据源于:IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 65(2), 223-230 (2018).

 

李飞本科、博士均毕业于西安交通大学电信学院电子科学与技术系,是电子陶瓷与器件教育部重点实验室和国际电介质研究中心的学术骨干,承担了多项国家自然科学基金的研究任务,目前在美国宾夕法尼亚州立大学开展学术研究工作。该工作是由一个国际化的研究团队通力协作而完成,包括美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚悉尼大学和澳大利亚伍伦贡大学。论文的共同通讯作者是李飞副教授、美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授以及澳大利亚伍伦贡大学张树君教授。论文作者还包括电信学院徐卓教授和西安交大毕业的林大斌博士和李纯纯博士。

 

论文全文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-018-0034-4