同济大学J.Am.Ceram.Soc.: 增强压电响应和压电电压系数的新型KNN基陶瓷材料

【引言】

压电陶瓷在电子科学技术中应用广泛，是最重要的电子材料之一。然而，压电陶瓷代表-锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）是一种对环境有污染的材料，PbO在烧结过程中挥发性很大，对人体和环境都造成了危害。为此研究者致力于寻找、制造不含铅陶瓷。

K_xNa_1-xNbO₃（KNN）陶瓷是一种不含铅的，具有高居里温度以及良好的压电性能的材料，但其烧结温度范围却很狭窄，具有非化学计量性，以及致密化过程复杂导致了其应用受到限制。2004年时，有研究人员利用RTGG法合成了(K_0.44Na_0.52Li_0.04)(Nb_0.86Ta_0.10Sb_0.04)O₃ (LF4)陶瓷，在性能上实现突破（压电常数d33=416pC/N，机电耦合系数k_p=0.61）。RTGG法因此引起了人们的注意。掺杂合适的原子或者端元组分也是一种有效增强陶瓷压电和电学性能的方式。有研究者系统地研究了Ta掺杂的KNN基陶瓷，其机电耦合系数k_p=0.41，机械品质系数Qm=1400。将几种方法合并，或许就可以起到优势互补的协同作用，从而增强陶瓷压电性能。

【成果介绍】

日前，同济大学翟继卫课题组在J.Am.Ceram.Soc.上发表了题为“Simultaneously enhanced piezoelectric response and piezoelectric voltage coefficient in textured KNN-based ceramics”的文章。研究人员综合了制备陶瓷的各方法的优势，利用RTGG法制备出了KNN基织构陶瓷，使用两步烧结法解决了制备KNN陶瓷过程中烧结温度范围狭窄的问题。并对陶瓷进行Ta掺杂操作，有效增强了其压电和电学性能。随后研究者对陶瓷的显微结构，压电性能，铁电性能，介电性能进行了系统地研究。文章解释了Ta元素的比例和织构陶瓷压电性能之间的关系，并探索了它与不同取向的陶瓷之间的压电响应的差别。

【图文介绍】

图一：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ 陶瓷（0.03≤x≤0.25）XRD图像和低温ε_r-T曲线（测试条件10HZ，温度范围-80℃-120℃）

（A）织构陶瓷XRD图像；

（B）随机取向陶瓷XRD图像；

（C）织构陶瓷低温ε_r-T曲线；

（D）随机取向陶瓷低温ε_r-T曲线。

图二：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷热腐蚀截面SEM图像

织构陶瓷：

（A）x=0.03；

（B）x=0.15；

（C）x=0.25；

随机取向陶瓷：

（D）x=0.03；

（E）x=0.15；

（F）x=0.25。

图三：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷的ε_r-T 和tanδ-T图像（温度范围：25℃-470℃）

（A）织构陶瓷；

（B）随机取向陶瓷。

图四：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷电滞回线和组成分析

（A）10Hz情况下织构陶瓷电滞回线；

（B）织构陶瓷和随机取向陶瓷Pr和Ec组成分析图像。

图五：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷单极S-E曲线和d33*随电场强度变化曲线

（A）织构陶瓷单极S-E曲线；

（B）织构陶瓷和随机取向陶瓷的d33*随电场强度变化曲线；

（C）电场强度50KV/cm时陶瓷单极S-E曲线；插图为在偏置下具有O-T共存相的<001> 织构陶瓷畴结构示意图。

图六：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷单极S-E曲线和d33*随电场强度变化曲线补充图

（A）电场强度30kV/cm，0.03≤x≤0.25时，0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷单极S-E曲线；

（B）电场强度30kV/cm时，随机取向0.99KNLN_0.72ST_0.25-0.01CZ陶瓷单极S-E曲线；

（C）织构陶瓷和随机取向陶瓷随着不同x取值的d33和d33*。

图七：其他测试曲线

（A）织构陶瓷和随机取向陶瓷的k_p-x曲线；

（B）织构陶瓷在x=0.15和x=0.25时的d33和k_p与温度关系曲线；

（C）织构陶瓷的频率-阻抗曲线和频率-相位角曲线；

（D）随机取向陶瓷的频率-阻抗曲线和频率-相位角曲线。

【小结】

研究人员发现，使用TGG方法和构建多态性组分（引入Ta元素）是增强KNN基陶瓷材料压电性能的有效方式。通过调节Ta元素在陶瓷材料中的比例，可以在接近室温条件下观察到O-T共存相，它是一种亚稳体系，施加外电场时极化矢量更容易旋转，因而在陶瓷材料中可以实现d33*为630pm/V，d33为391pC/N。晶体的定向生长增强了织构陶瓷的各向异性，从而和随机取向的陶瓷材料相比，压电性能有所增加，ε_r生长速率下降。并且所有织构陶瓷kp大于54%，当x值为0.15时，最大值为63.3%，优于同等条件下的LF4。这些优异的性能均表明0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ是一种合适的陶瓷材料组分。

文献链接：Simultaneously enhanced piezoelectric response and piezoelectric voltage coefficient in textured KNN-based ceramics（J. Am. Ceram. Soc.，September1, 2017，DOI: 10.1111/jace.15175）

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