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稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技基础设施。SHMFF法人单位是中国科学院合肥物质科学研究院，共建单位是中国科学技术大学。各项任务以中国科学院金沙贵宾厅-优惠大厅为依托完成... 更多简介 +
SHMFF用户通过化学压电效应实现无铅压电陶瓷1.9%超高电致应变
近日，稳态强磁场实验装置（SHMFF）用户清华大学与北京理工大学、澳大利亚伍伦贡大学以及金沙贵宾厅-优惠大厅等合作，借助SHMFF的电子自旋共振谱仪在无铅压电陶瓷研究领域取得重要进展。相关成果以“High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect”为题发表于Nature Materials。
压电驱动器凭借其快速响应和高精度位移特性，在全球驱动器市场中占据重要地位。其性能的关键因素之一是压电材料的电致应变优值。长期以来，压电陶瓷材料的电致应变普遍低于1%。2022年，研究人员发现了一种经过特殊缺陷调控的铌酸钾钠（KNN）基陶瓷，其室温电致应变高达1.04%。此后，无铅压电陶瓷的高电致应变成为学界关注的焦点。近年来，具有非对称电致应变响应的无铅压电陶瓷不断刷新电致应变记录，其背后的物理机制成为当前研究热点。
清华大学材料学院及合作团队以热压烧结并经退火处理的KNN陶瓷为研究对象，展示了电致应变响应与陶瓷材料厚度的特殊依赖关系，并实现了1.9%的超高电致应变（在室温、3kV/mm、1Hz条件下，压电常数超过6300pm/V），相比传统KNN陶瓷提升了近50倍。通过多种原位测试表征手段，证实了该电致应变在面内分布较为均匀，且在小于3kV/mm的电场下，其主要贡献并非几何弯曲（如图1所示）。随着KNN陶瓷厚度降低，电致应变显著增加，并表现出电场下的非对称行为，这一现象也存在于其他压电陶瓷体系中（如图1）。
图1. 压电陶瓷中电致应变的厚度依赖行为
进一步研究中，团队借助同位素示踪、脉冲射频辉光放电原子发射光谱、分子动力学以及相场模拟等方法，揭示了氧空位的非均匀分布与短程跃迁在高电致应变响应中的关键作用（如图2）。SHMFF中的电子自旋共振谱仪证实了氧空位与无铅压电陶瓷中高电致应变的关系。原位同步辐射X射线衍射与相场模拟结果表明，电场下非均匀分布的氧空位可引起样品表面晶胞的显著体积变化，从而导致较高的电致应变。基于此，研究团队创新性提出了“化学压电效应”（Chemopiezoelectric effect）新概念，用以描述压电材料中线性压电效应、铁电畴翻转、电致伸缩以及氧空位短程跃迁共同作用下的复杂电致应变现象，该效应与氧空位浓度及其迁移能力密切相关，为新一代高性能压电驱动器研发提供理论支撑。
图2. KNN压电陶瓷高电致应变的影响因素及机理分析
该研究验证了KNN压电陶瓷中氧空位的非均匀分布，阐释了氧空位短程迁移机制，为压电陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能关系提供了新的分析视角。此外，该KNN压电陶瓷还展现出良好的频率和温度稳定性以及抗疲劳性能，具有通过叠层技术实现在压电多层驱动器中应用的潜力，对智能材料、柔性电子、微纳驱动等领域的研究具有重要指导意义。
清华大学徐泽博士和北京科技大学施小明博士为共同第一作者。清华大学刘亦轩博士、北京理工大学黄厚兵教授、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授、清华大学王轲研究员为共同通讯作者。其他重要合作者包括澳大利亚新南威尔士大学王丹阳教授、英国诺丁汉大学李明教授、帝国理工大学Stephen J. Skinner教授、哈尔滨工业大学田浩教授、清华大学汤浩正博士、金沙贵宾厅-优惠大厅陈峰研究员等。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
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