Acta Mater.：Gd掺杂CeO2陶瓷中的电致伸缩的松弛和饱和

【引言】

如今具有电致伸缩性能的材料发挥着越来越重要的作用，例如蜂窝电话相机中的聚焦设备和声呐中都用到这种材料。电致伸缩是与所施加的电场振幅的平方成比例的机电响应，它是由电场中电介质的极化引起的，并且可以发生在所有的电介质中。随着电致伸缩器件的发展，电致伸缩材料的研究也得到了促进。

【成果简介】

近日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Igor Lubomirsky（通讯作者）等人研究发现，摩尔比例为10％的Gd掺杂二氧化铈（10GDC）的致密的陶瓷颗粒显示出非经典的电致伸缩，并且与施加电场的频率和振幅具有显著的相关性。

【图文导读】

图1 不同处理条件下的10GDC样品的XRD和SEM图

（a）在Bragg-Brentano模式下以可变狭缝宽度测量的10GDC颗粒P06-06（在O₂气氛中加热之前）的XRD图案。其（h k l）指数对应于萤石立方晶格的衍射峰（ICSD＃2879）。

（b）烧结颗粒P09-01的SEM图像。平均粒径为0.79μm。

（c）烧结颗粒P09-01在1350℃下生长20小时后的SEM图像。平均粒径为1.36μm。

（d）烧结颗粒P09-01在1450℃下生长50小时后的SEM图像。平均粒径为5.6μm。

图2 在频率为0.15-9Hz下，纵向负应变和施加电场平方的函数关系

（a）样品P06-03的应变饱和行为，虚线表示拟合到等式（1）的结果。

（b）样品P06-06的应变饱和行为，虚线表示拟合到等式（1）的结果。

（c）低场下球状P09-02的线性配合 。

（d）E_sat的频率相关性（样品P06-06、P06-03、P09-02、P09-01-HT2pp应用等式（2））。

等式（1）

等式（2）

图3 不同样品在不同电场条件下的M₃₃松弛

（a）在施加电场<4 kV / cm、频率<10Hz时，样品P06-06和P06-03的M₃₃松弛。虚线表示拟合到等式（2）的结果。

（b）对于P09和P05样品颗粒，在施加电场<10kV / cm时，M₃₃的频率依赖松弛高达500Hz。

图4 样品的Nyquist曲线图和电阻计算值

（a）室温下在0-135V直流偏压、10V交流、频率范围1MHz-1mHz、使用Ag电极测量时样品P09-04的Nyquist曲线图。 其中上方的图是测量电致伸缩的频率范围为1MHz-150mHz的放大图，下方的图是150mHz-1mHz的频率范围的放大图。

（b）处理颗粒P09-04的室温Nyquist图上的两个阻抗半圆获得的电阻值和施加的直流偏压V_DC的函数关系图。电阻是通过将Nyquist曲线拟合成圆弧，然后利用两弧半径计算得到。

图5 不同温度和电流条件下样品P09-04的Nyquist曲线图

（a）在10V AC和0V直流下测量的高温（80-106℃）颗粒P09-04的Nyquist曲线图。

（b）在10V AC和50V直流偏压下在106℃下测量的颗粒P09-04的Nyquist曲线图。虚线表示颗粒内部（黄色），晶界（红色）和接触（绿色）的半圆拟合结果。

图6 不同温度下，样品P09-04的I-V曲线图

在95℃，110℃和150℃下，根据10Vac和50-135U_DC的IS测量估计的10GDC陶瓷（样品P09-04）中晶界的I-V曲线。其中I = U_DC / R_total，其中R_total是晶粒内部电阻，即晶界和电极界面的总和。在T = 95℃和U_DC = 50V以上时，电极界面电阻不显著。U_gb =（U_DC•R_gb / R_total）/ N_gb，其中N_gb为颗粒厚度除以平均颗粒直径的估计。对于图形横坐标，U_gb以V_th = kT / q为单位给出。

【小结】

研究表明，在室温下纵向电致伸缩应变系数表现出非理想的德拜频率依赖性，从约0.3Hz至约10Hz可以减少高达两个数量级。由薄膜上的X射线吸收测量得出的GDC机电活性起源的模型表明，在较低频率下的弛豫可能是非经典电致收缩体一般的材料性质。在10GDC陶瓷中，纵向电致伸缩应变在大于1kV / cm，频率<1.5Hz的电场中饱和。这种新型的电致伸缩活性材料的研究还有更多的工作要做，解决了这些复杂的问题后才能将其投入到实际应用中。

文献链接：Relaxation and saturation of electrostriction in 10 mol% Gd-doped ceria ceramics（Acta Mater. , 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.056）

本文由材料人电子电工学术组徐涛供稿，材料牛整理编辑。

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