武漢理工Nature Communications: 從微觀到宏觀尺度，探究摻雜劑在鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷中的作用

引言

壓電陶瓷是將電能轉換為機械能或將機械能轉換為電能的一種材料，它是許多機電應用的核心材料，例如壓電驅動器，超聲醫學成像，機械能收集，健康檢測等。其中鉛基壓電陶瓷鈦酸鉛-鋯酸鉛（PZT）和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）固熔體，是目前使用最為廣泛的壓電陶瓷。近年來，隨著人們健康和環境保護意識的逐漸增強，無鉛材料的使用和制備，逐漸引起了人們的關注。所以，近20年無鉛壓電材料研究得到了蓬勃發展，其中多元素摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷（K_0.5Na_0.5NbO₃）是一個重要分支。研究摻雜劑在K_0.5Na_0.5NbO₃壓電陶瓷中的作用，有利于進一步理解微觀和宏觀結構與性能的關系，從而進一步提高壓電材料的性能。

成果簡介

近日，武漢理工大學團隊與澳大利亞伍倫貢大學和悉尼大學、西安交通大學團隊合作，以傳統的鉍，銻，鋯，共同摻雜鈮酸鉀鈉壓電陶瓷（KNN-Bi,Sb,Zr）為研究對象。通過原位變溫同步輻射和第一性原理計算，發現高壓電性能的KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷，在室溫具有宏觀的四方相結構。通過球差電鏡分析微觀結構，發現多元素摻雜，誘導的四方相結構中含有大量輕微偏離四方極化方向的小角度極化矢量。通過相場模擬，發現小角度的極化矢量區域比大角度的極化矢量區域更容易在電場下發生翻轉，并促進整體的極化翻轉，從而使材料的壓電性能顯著提升。同時，類似的微觀和宏觀結構與摻雜劑的關系不僅僅發現于K_0.5Na_0.5NbO₃壓電陶瓷。在之前的報道中，也通過球差電鏡和分子動力學模擬發現于PMN-PT壓電材料中。因此，作者認為這種摻雜劑誘導的結構演變，應該廣泛的存在于壓電陶瓷以及其它功能材料中。該成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO₃ ceramics”為題發表在《自然·通訊》上（Nature communications (2021) 12:881 DOI: 10.1038/s41467-021-21202-7）。研究工作得到了國家自然科學基金委、中央高校基本科研專項資金、以及CSC國家留學基金委等項目的支持。（該文章的第一作者為武漢理工大學和澳大利亞伍倫貢大學的高瀟逸）

圖文導讀

圖一： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的同步輻射衍射圖譜與第一性原理計算（宏觀結構演變）

（a-b）同步輻射特征峰隨溫度的變化；

（c-d）KNN-Sb和KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷中兩相含量隨溫度的變化；

（e）第一性原理計算的B-O鍵長與摻雜元素的關系。

圖二： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷性能隨溫度的變化（性能演變）

（a）KNN-Bi,Sb,Zr的介電溫譜；

（b）研究對象在120K到300K的介電常數變化；

（c）研究對象在120K到300K的壓電常數變化；

（d）KNN-Bi,Sb,Zr壓電常數與兩相含量在300K到500K之間的變化。

圖三： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的微觀結構與宏觀結構的關系

（a-d）KNN-Sb 陶瓷的A位與B位原子的相對襯度和位移矢量圖；

（e）圖a-d選區中的位移矢量與角度分布圖；

（f）KNN-Bi,Sb.Zr陶瓷的位移矢量圖；

（g）圖d與圖f中的角度統計圖。

圖四： 相場模擬的介觀尺度結構變化和壓電應變曲線

（a-b）四方相基體和局部結構異質區域隨外部電壓的變化；

（c）壓電應變曲線。

綜上所述，作者利用原位同步輻射、球差校正透射電鏡、相場模擬，表明四方相結構耦合大量的小角度局域結構是造成多元素摻雜鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷性能提高的原因。同時，相對于單一元素摻雜，多元素摻雜可以誘導更多的小角度局域結構從而提升性能。該工作探索了從摻雜劑到微觀結構以及宏觀結構的關系，為新型壓電陶瓷材料提供了更多的設計方向。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21202-7

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