Adv. Funct. Mater.: [001]c-織構PNN-PZT弛豫型鐵電陶瓷應用于高性能機電耦合器件

【引言】

壓電材料具有將電能轉換為機械能的能力，而機械能又是電能轉換的能力，被廣泛應用于醫療超聲成像傳感器、應力傳感器、壓電材料驅動器、超聲波電機和儲能裝置等領域。壓電材料的另一個有前途的應用是在振動能量采集采集器中，近年來，由于低能耗設備，特別是用于健康監測的可穿戴設備對可持續電力的需求越來越大，振動能量采集器受到了廣泛的關注。一系列研究表明PNN-PZT陶瓷具有高效的能量采集特性，且以其制作的能量采集裝置最大輸出功率接近PMN-PT單晶制備的能量采集裝置，展示了其在機電耦合器件特別是能量采集器件中的巨大應用潛力。

然而，傳統PNN-PZT陶瓷的高介電常數限制了其性能指標，阻礙了PNN-PZT陶瓷在高功率密度能量采集器中的應用。近年來，織構陶瓷的研究取得了重大進展。與傳統陶瓷中晶粒取向的隨機分布不同，織構工程通過選取特定取向的模板引導陶瓷晶粒在某一個方向上定向排列生長，使陶瓷在該方向上表現出可類比于單晶材料的電學性能。此外，有研究表明[001]_C織構弛豫型鐵電陶瓷與普通陶瓷相比具有更好的機電耦合性能，并且陶瓷織構化還可以改善器件的能量收集性能。因此研究制備具有織構結構的PNN-PZT陶瓷，有望獲得高機電耦合、能量采集性能優異的壓電材料，為下一代微型化、多層結構壓電器件的研制開發和應用推廣打下了基礎。

【研究簡介】

?? 近日，北京大學董蜀湘教授團隊及其合作者哈爾濱工業大學曹文武教授在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題目為“High-Performance [001]c-Textured PNN-PZT Relaxor Ferroelectric Ceramics for Electromechanical Coupling Devices”的文章。文章第一作者為北大、哈工大聯合培養博士生邊浪同學。該研究將BaTiO₃（BT）作為模板，采用模板晶粒生長法制備了[001]c-織構的PNN-PZT鐵電陶瓷材料。并從織構分數、微觀結構、壓電性能、鐵電性能和介電性能等方面對不同模板含量的樣品進行了比較。研究表明采用體積分數為2%的BaTiO3模板制備的樣品具有82%的織構分數，并且表現出最佳的壓電性能。此外，該研究還對PNN-PZT織構陶瓷的疇結構進行了觀察和分析，為PNN-PZT織構陶瓷巨壓電和機電耦合特性的起源提供了線索。

【圖文簡介】

圖1 PNN-PZT-xBT陶瓷的X射線衍射圖

圖2 不同BT模板含量樣品的SEM圖像

a）0% BT，b）1% BT，c）2% BT，d）3% BT，e）5% BT。

圖3 PNN-PZT-xBT織構陶瓷（x=0-5vol%）的P-E電滯曲線

圖4

a） 1 kHz下PNN-PZT-xBT陶瓷的介電溫譜；

b） 室溫下tanδ和ε₃₃隨BT模板含量的變化；

c） PNN-PZT-xBT陶瓷的ln（1/ε-1/ε_m）與ln（T-T_m）的關系圖。

圖5

a）在3 kV cm^-1下測得的單極S-E曲線；

b）有效壓電系數隨電場的變化函數。

圖6

a） d₃₃和g₃₃?d₃₃作為BT模板含量的函數；

b） PNN-PZT-2BT織構陶瓷與其它Pb基織構陶瓷的壓電性能對比。

圖7 PNN-PZT-2BT陶瓷在[001]C面1.5 μm×1.5 μm范圍內掃描的PFM圖像

【小結】

總之，該研究采用TGG法成功制備了不同BT模板含量的高取向[001]C織構的PNN-PZT陶瓷。系統研究了織構化PNN-PZT-xBT陶瓷的結構、疇形態、介電性能、壓電性能和機電耦合性能。結果表明，織構化工程策略可以在提高PNN-PZT陶瓷壓電性能的同時降低其介電常數，從而顯著提高機電耦合器件的g₃₃?d₃₃值。對于PNN-PZT-2BT織構陶瓷，其d₃₃、d₃₃*和g₃₃?d₃₃的值可分別達到1210 pC N^-1、1773 pm V^-1和21.92×10^-12 m² N^-1，分別比無取向普通陶瓷高13%、54%和68%。本文報道的PNN-PZT-2BT織構鐵電陶瓷的壓電常數d₃₃優于以往報道的織構鐵電陶瓷。因此，這種新型織構陶瓷在許多實際應用中具有巨大的潛力，包括醫學超聲成像傳感器和能量收集裝置。此外，PFM還觀察到了納米級的迷宮疇結構，研究者認為PNN-PZT-2BT陶瓷中的小疇尺寸（<200nm）直接決定了其優異的壓電和機電性能。

文獻鏈接: High-Performance [001]c-Textured PNN-PZT Relaxor Ferroelectric Ceramics for Electromechanical Coupling Devices, 2020, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202001846.

團隊介紹：

董蜀湘教授團隊長期從事壓電、鐵電、磁電功能材料與器件，以及近期的3D打印與柔性電子、壓電超材料、納米壓電馬達方面的研究，在壓電、磁電理論和器件研究方面都頗有建樹，如在壓電基礎理論研究方面，將超材料有序功能基元設計思想引入壓電陶瓷體系，首次實現全部非零的18個壓電應變系數單元，打破了傳統上70多年來壓電陶瓷材料只有五個非零壓電系數d_ij的認知,這一突破性工作發表在Science advances, 2019 刊物上；在磁電功能材料的理論方面，創立了“磁－彈－電”耦合的等效電路方法，是目前公認的理論方法之一。在壓電微馬達研究方面，最早發明了世界上最小的壓電微馬達，研發出低溫驅動器、高溫壓電馬達與高溫驅動器，以及研發出具有微納米分辨率的系列直線壓電馬達；部分成果已在廈門實現了產業化,并成功應用于墨子號衛星空間通訊（2018）；在磁電復合材料研究領域，發現了最強的磁－電耦合復合材料、發現磁電復合材料的超高磁場靈敏度、發現磁電材料的電壓增益效應和電流－電壓轉換效應；在壓電換能器方面，發現諧振聲場擾動的目標定位方法、聲諧振腔的氫氣檢測方法等。在微能源采集方面，利用自主研發的3D打印設備，制備出國際上功率密度最高的柔性壓電采能器件，在國際頂級刊物《能源與環境科學》上發表。董蜀湘在國際權威刊物Science advances, Energy and Environment Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Scientific Reports, Applied Physics Letters等，共發表SCI收錄文章160余篇。文章SCI總引用次數8200余次；擁有30余項授權美國和中國發明專利。董蜀湘教授團隊先后承擔國家基金委重點項目1項，面上基金5項；承擔國家863項目1項；承擔北京市重大科技專項2項以及國防項目2項，另外承擔企業合作和聯合實驗室項目多項。董蜀湘教授連續多年入選Elsevier物理與天文領域中國高被引學者（Most Cited Chinese Researchers）和最具世界影響力的中國學者。