Nat. Mater.：在多晶壓電材料中電子應變超過1％的新突破

【引言】

最近，高性能壓電技術被廣泛應用于醫療成像、高精度驅動、制導系統、汽車工業等領域。壓電材料用作致動器的最重要的參數是由電場（也稱為電應變）引起的應變，壓電致動器將電能轉化為機械能，并且由于它們的緊湊性，快速響應時間和精確的位移，它們在許多應用中受到追捧。多晶壓電陶瓷技術上比單晶更具吸引力，因為它們更簡單且成本更低，但尚未顯示超過1％的電應變值。

【成果簡介】

近日，來自印度科學理工學院的Rajeev Ranjan（通訊作者）的團隊在 Nat. Mater.發表了題為Electrostrain in excess of 1% in polycrystalline piezoelectrics的文章，該團隊利用電場有效切換鐵電-鐵彈性域，以在假三元鐵電合金體系BiFeO₃-PbTiO₃-LaFeO₃中實現1.3%的高電應變值，詳細的結構研究表明，這種電應變與多種因素相結合：壓電相的大自發晶格應變，疇微型化，低對稱鐵電相和非180°疇的非常大的反向開關，對具有高電子靜電的新一類多晶壓電陶瓷的設計的這種見解可能有助于開發單晶致動器的替代品。

【圖文導讀】

圖1：結構-性質相關性

a: 0.55Bi_1-yLa_yFeO₃-0.45PbTiO₃的電場依賴性單極應變；

b: 大信號壓電系數與La濃度的函數；

c:布拉格剖面的演變與La濃度的函數關系；

c: La濃度的與溫度的關系。

圖2 ：極化和非極化BF-Pt45：La（y = 0.30）的結構研究。

a-b: NPD圖和XRD圖；

c: 拉曼光譜圖；

d: 電子衍射圖，NPD圖案和[110]電子衍射圖案顯示額外的超晶格斑點。

圖3：極化和非極化BF-PT45：La（y = 0.30）的HAADFSTEM圖

a: 未取代的BF-PT45：La（y = 0.30）的（001）取向的晶粒的代表性HAADF-STEM圖；

b:極化和非極化標本中的一個域的放大圖像，亮點表示這些圖像中的A位（Pb/Bi / La）原子， b和c中的插圖顯示了A點質心圖。

圖4：用電場進行域切換

a: 作為增加場（a）和減小場（b）的函數，BF-PT的{200} pc XRD布拉格譜的演變；

b: 作為循環單極場的函數的疇轉換分數。

圖5：與Pt-BNZ比較

a:未極化和極化PT-BNZ粉末的的XRD反射；

b:未摻雜的PT-BNZ粉末的NPD布拉格剖面；

c:相應樣品中的單極應變。

圖6：結構-性質相關性

a:作為La濃度（y）的函數，0.60Bi_1-yLa_yFeO₃-0.40PbTiO₃的XRPD圖的演變；

b:極化和非極化粉末0.60Bi_1-yLa_yFeO₃-0.40PbTiO₃（y = 0.20）的XRD反射；

c:相應樣品中的單極電應變響應。

【小結】

該團隊的研究結果表明，準同型相邊界系統以其增強的弱信號壓電響應而聞名，可能不是在多晶壓電陶瓷中實現非常大的電應變的正確候選者，因為它們通常不顯示大的反向開關鐵電-鐵彈性域，這種性質應該是尋求具有短和長相干長度的極化以及它們之間的強耦合的神經電系統。基于目前的研究，他們認為大型應變致動器材料開發的設計標準應該從選擇具有大發極化/應變的鐵電主體開始，然后找到合適的化學取代基，這不僅帶來異質疇結構，也能夠降低鐵電相的對稱性。

文獻鏈接：Electrostrain in excess of 1% in polycrystalline piezoelectrics（Nat. Mater.2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0060-2）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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