压电材料新突破Science：晶粒排列整齐的锆钛酸铅陶瓷

一、【导读】

压电材料可以对电场作出力学响应，反之亦然，是许多机电传感器的核心元件。锆钛酸铅(PZT)陶瓷[Pb(Zr,Ti)O₃]，具有同质相界(MPB)成分压电活性的品质因数（FOM），例如压电系数d₃₃>200pCN⁻¹，机电耦合系数k₃₃>0.60，以及较高的居里温度TC（~350°C）。并且，PZT压电材料易于以低成本制造。因此，PZT基陶瓷作为最经典和开创性的钙钛矿固溶体，是众多压电器件的首选材料，例如用于微纳制造的高精度致动器、用于医学成像和治疗的超声换能器以及远程物联网设备等。鉴于现代医学诊断和精密制造需求的不断增长，需要具有优异性能的压电材料。

二、【成果掠影】

为解决上述需求，西交大李飞教授，悉尼新南威尔士大学Shujun Zhang教授，哈工大常云飞教授等人发现锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O₃或PZT]陶瓷的压电性能可以通过织构制造使晶粒沿特定方向排列，从而得到增强。提出一种种子钝化织构工艺，通过使用新开发的PZT微片模板来制造织构陶瓷。该工艺不仅确保了富钛PZT层中诱导的晶粒生长，而且还通过锆和钛的层间扩散促进了所需成分的获得。成功制备出具有优异性能的PZT陶瓷，通过抑制PZT粉末和钛酸盐之间的其他严重化学反应解决了制造菱面体PZT陶瓷的挑战。

相关研究工作以“Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains”为题刊登在《Science》上。

三、【核心创新点】

• 扩大可用温度范围和机电耦合系数。
• 优化锆钛酸铅基材料的织构工艺。
• 既改变了固溶体的组成，又使晶体取向以改善压电性能。

四、【数据概览】

图 1  种子钝化工艺的示意图和实验实现方法。© 2023 AAAS

图 2  PZT 织构陶瓷的微观结构分析。© 2023 AAAS

图 3  PZT 织构陶瓷电场诱导应变的机电特性和原位同步加速器 XRD 分析。© 2023 AAAS

图 4  织构 PZT 陶瓷机电性能的热稳定性。© 2023 AAAS

五、【成果启示】

提出种子钝化织构工艺，成功地制造了一系列具有高机电性能和高T _C的 PZT 基织构陶瓷（这在过去几十年中是无法实现的），解决了只能以牺牲彼此为代价来提高压电性和居里温度的困境。除了获得预期的机电特性及其对铁电固溶体的新理解外，这项工作还提供了一种通用途径，用于制造不可避免的化学反应而难以制造的织构陶瓷。