近日，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）用戶清華大學(xué)與北京理工大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)以及中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場中心等合作，借助SHMFF的電子自旋共振譜儀在無鉛壓電陶瓷研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Materials。

壓電驅(qū)動器憑借其快速響應(yīng)和高精度位移特性，在全球驅(qū)動器市場中占據(jù)重要地位。其性能的關(guān)鍵因素之一是壓電材料的電致應(yīng)變優(yōu)值。長期以來，壓電陶瓷材料的電致應(yīng)變普遍低于1%。2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種經(jīng)過特殊缺陷調(diào)控的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷，其室溫電致應(yīng)變高達(dá)1.04%。此后，無鉛壓電陶瓷的高電致應(yīng)變成為學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，具有非對稱電致應(yīng)變響應(yīng)的無鉛壓電陶瓷不斷刷新電致應(yīng)變記錄，其背后的物理機(jī)制成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

清華大學(xué)材料學(xué)院及合作團(tuán)隊(duì)以熱壓燒結(jié)并經(jīng)退火處理的KNN陶瓷為研究對象，展示了電致應(yīng)變響應(yīng)與陶瓷材料厚度的特殊依賴關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了1.9%的超高電致應(yīng)變（在室溫、3kV/mm、1Hz條件下，壓電常數(shù)超過6300pm/V），相比傳統(tǒng)KNN陶瓷提升了近50倍。通過多種原位測試表征手段，證實(shí)了該電致應(yīng)變在面內(nèi)分布較為均勻，且在小于3kV/mm的電場下，其主要貢獻(xiàn)并非幾何彎曲（如圖1所示）。隨著KNN陶瓷厚度降低，電致應(yīng)變顯著增加，并表現(xiàn)出電場下的非對稱行為，這一現(xiàn)象也存在于其他壓電陶瓷體系中（如圖1）。

進(jìn)一步研究中，團(tuán)隊(duì)借助同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發(fā)射光譜、分子動力學(xué)以及相場模擬等方法，揭示了氧空位的非均勻分布與短程躍遷在高電致應(yīng)變響應(yīng)中的關(guān)鍵作用（如圖2）。SHMFF中的電子自旋共振譜儀證實(shí)了氧空位與無鉛壓電陶瓷中高電致應(yīng)變的關(guān)系。原位同步輻射X射線衍射與相場模擬結(jié)果表明，電場下非均勻分布的氧空位可引起樣品表面晶胞的顯著體積變化，從而導(dǎo)致較高的電致應(yīng)變。基于此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了“化學(xué)壓電效應(yīng)”（Chemopiezoelectric effect）新概念，用以描述壓電材料中線性壓電效應(yīng)、鐵電疇翻轉(zhuǎn)、電致伸縮以及氧空位短程躍遷共同作用下的復(fù)雜電致應(yīng)變現(xiàn)象，該效應(yīng)與氧空位濃度及其遷移能力密切相關(guān)，為新一代高性能壓電驅(qū)動器研發(fā)提供理論支撐。

該研究驗(yàn)證了KNN壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布，闡釋了氧空位短程遷移機(jī)制，為壓電陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能關(guān)系提供了新的分析視角。此外，該KNN壓電陶瓷還展現(xiàn)出良好的頻率和溫度穩(wěn)定性以及抗疲勞性能，具有通過疊層技術(shù)實(shí)現(xiàn)在壓電多層驅(qū)動器中應(yīng)用的潛力，對智能材料、柔性電子、微納驅(qū)動等領(lǐng)域的研究具有重要指導(dǎo)意義。

清華大學(xué)徐澤博士和北京科技大學(xué)施小明博士為共同第一作者。清華大學(xué)劉亦軒博士、北京理工大學(xué)黃厚兵教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授、清華大學(xué)王軻研究員為共同通訊作者。其他重要合作者包括澳大利亞新南威爾士大學(xué)王丹陽教授、英國諾丁漢大學(xué)李明教授、帝國理工大學(xué)Stephen J. Skinner教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)田浩教授、清華大學(xué)湯浩正博士、強(qiáng)磁場中心陳峰研究員等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項(xiàng)目的支持。

圖1.?壓電陶瓷中電致應(yīng)變的厚度依賴行為

圖2. KNN壓電陶瓷高電致應(yīng)變的影響因素及機(jī)理分析