武汉理工Nature Communications: 从微观到宏观尺度，探究掺杂剂在铌酸钾钠无铅压电陶瓷中的作用

引言

压电陶瓷是将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的一种材料，它是许多机电应用的核心材料，例如压电驱动器，超声医学成像，机械能收集，健康检测等。其中铅基压电陶瓷钛酸铅-锆酸铅（PZT）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）固熔体，是目前使用最为广泛的压电陶瓷。近年来，随着人们健康和环境保护意识的逐渐增强，无铅材料的使用和制备，逐渐引起了人们的关注。所以，近20年无铅压电材料研究得到了蓬勃发展，其中多元素掺杂的铌酸钾钠无铅压电陶瓷（K_0.5Na_0.5NbO₃）是一个重要分支。研究掺杂剂在K_0.5Na_0.5NbO₃压电陶瓷中的作用，有利于进一步理解微观和宏观结构与性能的关系，从而进一步提高压电材料的性能。

成果简介

近日，武汉理工大学团队与澳大利亚伍伦贡大学和悉尼大学、西安交通大学团队合作，以传统的铋，锑，锆，共同掺杂铌酸钾钠压电陶瓷（KNN-Bi,Sb,Zr）为研究对象。通过原位变温同步辐射和第一性原理计算，发现高压电性能的KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷，在室温具有宏观的四方相结构。通过球差电镜分析微观结构，发现多元素掺杂，诱导的四方相结构中含有大量轻微偏离四方极化方向的小角度极化矢量。通过相场模拟，发现小角度的极化矢量区域比大角度的极化矢量区域更容易在电场下发生翻转，并促进整体的极化翻转，从而使材料的压电性能显著提升。同时，类似的微观和宏观结构与掺杂剂的关系不仅仅发现于K_0.5Na_0.5NbO₃压电陶瓷。在之前的报道中，也通过球差电镜和分子动力学模拟发现于PMN-PT压电材料中。因此，作者认为这种掺杂剂诱导的结构演变，应该广泛的存在于压电陶瓷以及其它功能材料中。该成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO₃ ceramics”为题发表在《自然·通讯》上（Nature communications (2021) 12:881 DOI: 10.1038/s41467-021-21202-7）。研究工作得到了国家自然科学基金委、中央高校基本科研专项资金、以及CSC国家留学基金委等项目的支持。（该文章的第一作者为武汉理工大学和澳大利亚伍伦贡大学的高潇逸）

图文导读

图一： 铌酸钾钠基压电陶瓷的同步辐射衍射图谱与第一性原理计算（宏观结构演变）

（a-b）同步辐射特征峰随温度的变化；

（c-d）KNN-Sb和KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷中两相含量随温度的变化；

（e）第一性原理计算的B-O键长与掺杂元素的关系。

图二： 铌酸钾钠基压电陶瓷性能随温度的变化（性能演变）

（a）KNN-Bi,Sb,Zr的介电温谱；

（b）研究对象在120K到300K的介电常数变化；

（c）研究对象在120K到300K的压电常数变化；

（d）KNN-Bi,Sb,Zr压电常数与两相含量在300K到500K之间的变化。

图三： 铌酸钾钠基压电陶瓷的微观结构与宏观结构的关系

（a-d）KNN-Sb 陶瓷的A位与B位原子的相对衬度和位移矢量图；

（e）图a-d选区中的位移矢量与角度分布图；

（f）KNN-Bi,Sb.Zr陶瓷的位移矢量图；

（g）图d与图f中的角度统计图。

图四： 相场模拟的介观尺度结构变化和压电应变曲线

（a-b）四方相基体和局部结构异质区域随外部电压的变化；

（c）压电应变曲线。

综上所述，作者利用原位同步辐射、球差校正透射电镜、相场模拟，表明四方相结构耦合大量的小角度局域结构是造成多元素掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷性能提高的原因。同时，相对于单一元素掺杂，多元素掺杂可以诱导更多的小角度局域结构从而提升性能。该工作探索了从掺杂剂到微观结构以及宏观结构的关系，为新型压电陶瓷材料提供了更多的设计方向。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21202-7

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