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壓電材料將電信號轉換為機械應變，使其成為至關重要的致動器和傳感器。但大多數商業化壓電致動器都含有鉛，對環境提出了挑戰。

上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平教授，中國科學院上海硅酸鹽研究所傅正錢副研究員和澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授等人表明通過傳統的固態反應方法合成且無需任何后處理的情況下，在鍶（Sr）摻雜(K,Na)NbO₃無鉛壓電陶瓷中得到了一個巨大的應變（1.05%）和大信號壓電應變系數（2100 pm/V），其中缺陷偶極子和域切換之間的相互作用最終導致了超高電應變的存在。

同時，20 kV/cm時的抗疲勞性、熱穩定性和應變值（0.25%）與商業化Pb(Zr,Ti)O₃基陶瓷相當或更好，顯示出巨大的實際應用潛力。因此，這種材料可以提供一種無鉛替代品，其成分簡單，從而用于壓電致動器和高性能壓電設計范例。

相關研究成果“Giant electric field-induced strain in lead-free piezoceramics”為題發表在Science上。

壓電致動器可以直接將電信號轉換為機械應變，并已廣泛應用于消費電子產品，運輸，精密光學儀器以及微機電系統和機器人。壓電致動器占據主要份額，預計到2026年將增長到354億美元。特別是無鉛器件，預計2019年至2024年的復合年增長率將高達20.8%。其中，由80 kV/cm高電場驅動的含鉛材料(Bi,La)FeO₃-PbTiO₃，在壓電陶瓷中具有最高應變1.3%。

考慮到反對使用鉛的環境法規，已經做出了大量努力來尋找無鉛替代品。在無鉛壓電系統中，(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃（NBT）基陶瓷在50 kV/cm時具有~0.7%的最高應變，但這伴隨著大的滯后，這歸因于由高電場驅動的遍歷弛豫相和鐵電相之間的轉變。因此，歸一化應變 S_max/E_max通常低于1000 pm/V，而在基于NBT的陶瓷中，低電場下的應變非常小。

相比之下，(K,Na)NbO₃（KNN）壓電陶瓷與商業化Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）相比具有相當小的信號壓電系數。然而，目前基于KNN的陶瓷通常需要復雜的化學計量控制，并且即使由40至60kV/cm的電場驅動，也只有高達0.3%的電應變。考慮到實際驅動應用，商業化PZT基陶瓷的常見驅動電場約為20 kV/cm。無鉛材料在20 kV/cm的驅動電場下沒有表現出與商業化PZT材料相當的電應變性能（包括應變值、滯后、熱穩定性和抗疲勞性）。

實際上，引入缺陷偶極子被報道是增強電場誘導應變的有效策略。在Mn，Cu或Fe摻雜的KNN陶瓷中，缺陷偶極子引起不對稱應變。盡管在Cu或Fe摻雜的KNN陶瓷中已經實現了0.4至0.5%的高雙極應變（由50 kV/cm驅動）和0.18%的單極應變（由35 kV/cm驅動），但Ar氣氛輔助燒結和極化老化程序是必不可少的。因此，非常需要具有簡單成分、低成本、易于加工和高電應變性能的無鉛陶瓷。

本研究通過傳統的固態反應方法合成且無需任何后處理的情況下，在[K_0.5(1-x)Na_0.5(1-x)Sr_x]NbO₃（KNSN100x）中引入V’_K/Na-V’’_O缺陷偶極子能夠實現優異的應變性能，例如極化時效。在KNSN3（x=0.03）陶瓷中獲得了室溫下1.05%和160°C下1.67%的巨型雙極電應變，這是無鉛陶瓷的非常高的值，與無鉛或鉛基單晶相當。

?對于實際應用環境，KNSN3陶瓷還具有比任何其他無鉛陶瓷或商業化PZT基陶瓷更高的單極應變（0.25% @ 20 kV/cm）。特別令人感興趣的是，KNSN3陶瓷具有良好的抗疲勞性、低滯后性和熱穩定性，顯示出在致動器應用中取代鉛基壓電陶瓷的巨大潛力。微觀結構和電子特性表明，其優異的應變性能源于外部電驅動的V’_K/Na-V’’_O缺陷偶極子的單向排列與缺陷偶極子與域開關之間的相互作用。

圖1. KNSN陶瓷的成分與晶體結構和電性能的關系

圖2. 缺陷偶極子對KNSN3極化和應變行為的影響

圖3. KNSN3的微觀結構表征

圖4. KNSN3優異的電應變性能

總之，本文通過對比所研究的KNSN3陶瓷與代表性壓電的單極應變性能，其中KNSN3優于無鉛陶瓷，甚至可與無鉛和鉛基單晶相媲美。定制V’_K/Na-V’’_O缺陷偶極子和微觀結構，使得缺陷偶極子與鐵電疇的耦合，從而為巨應變壓電材料的設計提供了范式。考慮到20 kV/cm以下的高應變、良好的抗疲勞性和熱穩定性，KNSN有望成為寬溫度范圍和高排量壓電致動器應用的巨大潛在無鉛替代品。

作者介紹

郭益平，上海交通大學研究員，1995年獲西北工業大學材料科學與工程系學士學位，1998獲西北工業大學應用物理系碩士學位。1998-2000年在山東省硅酸鹽研究所工作， 2000-2003年在中科院上海硅酸鹽研究所攻讀博士學位，2003年4月-2004年12月在日本名古屋工業大學電子陶瓷研究室工作，任COE項目博士后研究員。2005年1月-2006年3月在日本產業技術綜合研究所中部中心工作，AIST特別研究員。2006年4月-2007年3月在日本豐橋技術科學大學電子工程系集成電路研究室工作，任產學官連攜研究員。2007年4月起，任上海交通大學副教授。其中2007年12月至2007年3月期間在日本豐橋技術科學大學任訪問副教授，2009年6月至2010年8月期間在澳大利亞國立大學任澳大利亞研究理事會（ARC)項目高級研究員。2015年1月起，任上海交通大學研究員，博士生導師。

傅正錢，男，1991年生，中國科學院上海硅酸鹽研究所副研究員。2018年獲中國科學院上海硅酸鹽研究所材料物理與化學專業博士學位，畢業后留所工作至今，研究方向主要是基于球差電鏡和原位電鏡開展微結構研究。近年來，圍繞反鐵電、鐵電、壓電等功能材料的關鍵基礎科學問題開展了一系列研究，以第一或通訊作者在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Energy Mater., Chem. Mater.等期刊共發表論文20余篇，主持了國家自然科學基金（青年基金項目），上海市自然科學基金（面上項目），中國科學院儀器設備功能開發技術創新項目和上海硅酸鹽研究所科技創新項目。

Geng Huangfu?, Kun Zeng?, Binquan Wang, Jie Wang, Zhengqian Fu*, Fangfang Xu, Shujun Zhang*, Haosu Luo, Dwight Viehland, Yiping Guo*, Giant electric field-induced strain in lead-free piezoceramics, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2964

原文鏈接：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2964

2. https://sklcm.sjtu.edu.cn/team/detail.aspx?id=24

3. http://sourcedb.sic.cas.cn/zw/rck/202207/t20220706_6472282.html

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