转载自中国农大新闻网讯 近日，中国农业大学罗炳程教授等人在信息功能材料及器件研究方面取得新进展，在《自然通讯》（Nature Communications）上在线发表了题为《异性应变实现无铅压电材料的超高电致应变》（Heterostrain-enabled ultrahigh electrostrain in lead-free piezoelectric）的研究论文。
高性能介质材料是电子元器件技术中的关键，应用于5G通信、物联网、军事装备等领域，然而受材料、技术和规模的影响，高端电子元器件与国外存在明显差距而强烈依赖进口，并受到日本和韩国生产厂商垄断，属于“卡脖子”技术，是我国经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题。
压电陶瓷材料可以实现机械能和电能的互相转换，是先进电子元件的核心关键材料，被广泛应用于驱动器、传感器、换能器、医学成像、水声探测等领域。相比于其他材料如形状记忆合金、电流变材料、磁致伸缩材料，压电致动则具有响应速度快、频率特性好、抗电磁干扰等优点。尽管压电陶瓷从发现至今已有100多年，但目前应变最高的仍是含铅压电单晶材料Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3(PZN-PT)的1.7%，因此，寻找可替代的环境友好型的无铅压电材料是一项长期的挑战，特别是具有高应变的多晶无铅压电材料，才能满足实际的大规模应用。此外，传统提高应变的方法是通过多种离子掺杂构建两相/多相共存的结构，利用不同相结构之间的转变提高电致应变，但是这种方法会提高铁电相的晶体对称性，使其失去高温下的应用潜力。
瞄准以上关键问题，兼顾高电致应变和高温应变性能，中国农业大学罗炳程教授和清华大学王晓慧教授、李龙土院士等人提出了一种通过原子尺度缺陷工程和介观尺度畴工程设计异性应变来增强无铅压电陶瓷电致应变的策略。该项工作通过调控氧空位缺陷，在无织构化的纯钛酸铋钠陶瓷（BNT）中，实现了室温下1.5%和高温220℃下2.3%的超高应变。该性能高于所有最先进的压电材料，包括无铅陶瓷、铅基陶瓷、无铅单晶以及铅基单晶等。同时，该成果在BNT无铅压电陶瓷中实现了优异的应变疲劳特性。具体来说，在室温下经过110万次的疲劳测试，BNT陶瓷的应变性能未发生衰减，而在150℃的高温下经过30万次的循环测试，应变性能依然具有优异的稳定性，这表明所研制的无铅压电陶瓷材料在宽温度范围具有重要应用价值。
图1：具有超高应变的无铅压电陶瓷的结构设计
图2：BNT陶瓷材料的压电性能
图3：压电材料的电致应变性能比较
该成果通过引入适量的氧空位，增大了离子位移及[TiO6]八面体的畸变，实现了菱方相、四方相、正交相多种极化微区共存，并在常温常压下观测到BNT中的单斜对称性。这种氧八面体畸变类型的复杂化和无序化，使其表现出纳米至微米级的电畴多重异构，在电场作用下，长程-短程极化有序的强耦合，正是实现超高应变的直接原因。
图4：BNT压电陶瓷的微观结构
图5： BNT压电陶瓷的超高电致应变机理
此外，该成果研制的BNT陶瓷还展现出显著的应变记忆效应，通过单极输入电场和反向复位电场的调控，可实现低应变和高应变状态之间的切换，通过电场大小精准控制其应变大小，表现出稳定的应变记忆效应，在此基础上应用范围可扩展到存储器、传感器、处理器、晶体管等。该成果为高性能无铅压电材料的结构设计和性能调控提供了新的思路，大幅缩小了与铅基压电材料的差距，在传感器、存储器、晶体管、医学成像和水声探测等领域具有重要应用价值。
清华大学冯威博士和中国农业大学罗炳程教授为论文第一作者，通讯作者为罗炳程教授和清华大学王晓慧教授，合作单位包括中国农业大学、清华大学、中国地质大学（北京）和剑桥大学。该成果得到国家自然基金、国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、中国农业大学杰出人才启动经费及中国农业大学校级高性能计算平台等项目支持。
罗炳程教授在新材料理论预测与合成、介电铁电陶瓷及复合材料、柔性电子材料与能源存储器件等方面，积累了丰富的研究经验，并取得了一系列创新性研究成果。目前，已经在《自然通讯》（Nature Communications）、《美国国家科学院院刊》（PNAS）、《先进功能材料》 (Advanced Functional Materials)、《材料化学杂志A》（Journal of Materials Chemistry A）、《交叉科学》（iScience）、《碳》（Carbon）等期刊上共发表SCI论文60余篇。
本课题组欢迎化学、材料科学与工程、凝聚态物理、固体力学等相关专业背景的学生报考硕士和博士，课题组常年招聘博士后，有意申请者请发送邮件至luobc21@cau.edu.cn。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32825-9