《自然·材料》重大(dà)突破：西安交大(dà)采用(yòng)ZJ-6型壓電測試儀高(gāo)性能壓電材料

《自然·材料》重大(dà)突破：西安交大(dà)采用(yòng)ZJ-6型壓電測試儀測量到高(gāo)性能壓電材料

《自然·材料》重大(dà)突破：西安交大(dà)高(gāo)性能壓電材料取得(de)重大(dà)突破

西安交大(dà)正是采購(gòu)了(le)ZJ-6型精密壓電陶瓷材料和(hé)ZJ-6型壓電陶瓷材料

進行高(gāo)性能壓電材料測試

壓電材料是一種智能材料，能夠實現機械信号與電信号的(de)轉換，以及産生電驅動的(de)聲波發射和(hé)功率輸出，廣泛應用(yòng)于電子、自控、機械、航空航天等諸多(duō)領域。壓電材料的(de)優劣，直接決定了(le)醫用(yòng)B超、艦船聲呐等機電系統的(de)性能，因此科學家們孜孜不倦地探索具有更高(gāo)壓電性能的(de)新材料。

近日，Nature Materials期刊（影(yǐng)響因子39.7）以“設計具有高(gāo)壓電效應的(de)鐵電陶瓷材料”爲題發表了(le)西安交大(dà)電信學院電子科學與技術系教師李飛(fēi)副教授及其合作者的(de)一篇研究論文，報道了(le)他(tā)們在高(gāo)性能壓電陶瓷的(de)設計合成方面取得(de)的(de)重大(dà)突破。

基于唯象理(lǐ)論和(hé)相場(chǎng)模拟，李飛(fēi)及其合作者們提出了(le)一種新的(de)設計策略（圖一），即：通(tōng)過引入局部異質結構來(lái)操縱界面能并改變鐵電材料的(de)平均自由能曲面，從而進一步提升材料壓電性能。

圖一 引入局部異質結構來(lái)提升性能的(de)設計思路和(hé)相場(chǎng)模拟結果

研究團隊成功合成出了(le)稀土元素Sm摻雜(zá)的(de)Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3（Sm-PMN-PT）壓電陶瓷，獲得(de)高(gāo)達1500 pC/N的(de)壓電系數（圖二），介電常數超過13000，居裏溫度爲89℃。

圖二 稀土元素Sm摻雜(zá)提升PMN-PT陶瓷壓電系數的(de)實驗結果

通(tōng)過低溫介電性能、同步輻射X-射線衍射和(hé)高(gāo)分(fēn)辨球差電鏡實驗（圖三），研究團隊進一步驗證了(le)Sm摻雜(zá)PMN-PT陶瓷高(gāo)壓電效應與局域結構的(de)關系。這(zhè)一研究工作爲高(gāo)性能壓電材料設計提供了(le)一種新的(de)思路和(hé)範例，可(kě)能用(yòng)于諸多(duō)功能材料的(de)設計合成中。

圖三 高(gāo)分(fēn)辨球差電鏡驗證了(le)Sm-PMN-PT陶瓷在納米尺度上結構的(de)不均勻性

Nature Materials同時(shí)還(hái)以“通(tōng)過增強（結構）無序性獲得(de)超高(gāo)壓電性”爲題刊發了(le)歐洲科學家Barbara Malic教授及其合作者（現任斯洛文尼亞Jozef Stefan研究院電子陶瓷研究部主任）對(duì)這(zhè)個(gè)重大(dà)突破的(de)評價：“引入化(huà)學和(hé)結構的(de)局部無序，結合相場(chǎng)模拟和(hé)實驗，發現稀土摻雜(zá)能增強PMN-PT的(de)無序，使能量曲線扁平化(huà)，在Sm摻雜(zá)的(de)成分(fēn)中獲得(de)了(le)1500 pC/N的(de)壓電系數，這(zhè)是目前已知壓電陶瓷的(de)zui高(gāo)性能” “可(kě)以設想在低成本和(hé)大(dà)規模生産的(de)前提下(xià)，用(yòng)這(zhè)種陶瓷來(lái)替代壓電器件中的(de)單晶，并獲得(de)可(kě)以比拟的(de)性能”。對(duì)該工作的(de)學術意義和(hé)實際應用(yòng)價值給出了(le)高(gāo)度贊許。

目前，該工作已被包括美(měi)國能源部、pro-physik、Phys.org等多(duō)家科技學術進行了(le)跟蹤報道。課題組與中國科學院深圳*技術研究院、美(měi)國南(nán)加州大(dà)學合作，已利用(yòng)新開發的(de)壓電陶瓷設計并制作了(le)40MHz高(gāo)頻(pín)超聲換能器探頭，如圖四所示。相比于利用(yòng)傳統P5H陶瓷和(hé)PMN-PT單晶制作的(de)超聲換能器，該換能器具有更大(dà)的(de)成像帶寬（80%）和(hé)更高(gāo)的(de)成像靈敏度（-13dB），在高(gāo)分(fēn)辨醫學成像領域中展現出應用(yòng)潛力。

圖四 a 高(gāo)頻(pín)超聲換能器原理(lǐ)圖及實物(wù)照(zhào)片  b 超聲換能器性能參數。數據源于：IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 65(2), 223-230 (2018).

李飛(fēi)本科、博士均畢業于西安交通(tōng)大(dà)學電信學院電子科學與技術系，是電子陶瓷與器件教育部重點實驗室和(hé)電介質研究中心的(de)學術骨幹，承擔了(le)多(duō)項國家自然科學基金的(de)研究任務，目前在美(měi)國賓夕法尼亞州立大(dà)學開展學術研究工作。該工作是由一個(gè)化(huà)的(de)研究團隊通(tōng)力協作而完成，包括美(měi)國賓夕法尼亞州立大(dà)學、澳大(dà)利亞悉尼大(dà)學和(hé)澳大(dà)利亞伍倫貢大(dà)學。論文的(de)共同通(tōng)訊作者是李飛(fēi)副教授、美(měi)國賓夕法尼亞州立大(dà)學陳龍慶教授以及澳大(dà)利亞伍倫貢大(dà)學張樹君教授。論文作者還(hái)包括電信學院徐卓教授和(hé)西安交大(dà)畢業的(de)林(lín)大(dà)斌博士和(hé)李純純博士。