壓電陶瓷是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種材料，它是許多機(jī)電應(yīng)用的核心材料，例如壓電驅(qū)動(dòng)器，超聲醫(yī)學(xué)成像，機(jī)械能收集，健康檢測(cè)等。其中鉛基壓電陶瓷鈦酸鉛-鋯酸鉛（PZT）和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）固溶體，是目前使用最為廣泛的壓電陶瓷。近年來(lái)，隨著人們健康和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，無(wú)鉛材料的使用和制備，逐漸引起了人們的關(guān)注。所以，近20年無(wú)鉛壓電材料研究得到了蓬勃發(fā)展，其中多元素?fù)诫s的鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷（K0.5Na0.5NbO3）是一個(gè)重要分支。研究摻雜劑在K0.5Na0.5NbO3壓電陶瓷中的作用，有利于進(jìn)一步理解微觀和宏觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而進(jìn)一步提高壓電材料的性能。近日，武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)與澳大利亞伍倫貢大學(xué)和悉尼大學(xué)、西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，以傳統(tǒng)的鉍，銻，鋯，共同摻雜鈮酸鉀鈉壓電陶瓷（KNN-Bi,Sb,Zr）為研究對(duì)象。通過(guò)原位變溫同步輻射和第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)高壓電性能的KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷，在室溫具有宏觀的四方相結(jié)構(gòu)。通過(guò)球差電鏡分析微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)多元素?fù)诫s，誘導(dǎo)的四方相結(jié)構(gòu)中含有大量輕微偏離四方極化方向的小角度極化矢量。通過(guò)相場(chǎng)模擬，發(fā)現(xiàn)小角度的極化矢量區(qū)域比大角度的極化矢量區(qū)域更容易在電場(chǎng)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并促進(jìn)整體的極化翻轉(zhuǎn)，從而使材料的壓電性能顯著提升。同時(shí)，類似的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)與摻雜劑的關(guān)系不僅僅發(fā)現(xiàn)于K0.5Na0.5NbO3壓電陶瓷。在之前的報(bào)道中，也通過(guò)球差電鏡和分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)于PMN-PT壓電材料中。因此，作者認(rèn)為這種摻雜劑誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)演變，應(yīng)該廣泛的存在于壓電陶瓷以及其它功能材料中。該成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO3 ceramics”為題發(fā)表在《自然·通訊》上（Nature communications (2021) 12:881 DOI: 10.1038/s41467-021-21202-7）。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金、以及CSC國(guó)家留學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。（該文章的第一作者為武漢理工大學(xué)和澳大利亞伍倫貢大學(xué)的高瀟逸）圖一： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的同步輻射衍射圖譜與第一性原理計(jì)算（宏觀結(jié)構(gòu)演變）（c-d）KNN-Sb和KNN-Bi,Sb,Zr陶瓷中兩相含量隨溫度的變化；（e）第一性原理計(jì)算的B-O鍵長(zhǎng)與摻雜元素的關(guān)系。圖二： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷性能隨溫度的變化（性能演變）（b）研究對(duì)象在120K到300K的介電常數(shù)變化；（c）研究對(duì)象在120K到300K的壓電常數(shù)變化；（d）KNN-Bi,Sb,Zr壓電常數(shù)與兩相含量在300K到500K之間的變化。圖三： 鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系（a-d）KNN-Sb 陶瓷的A位與B位原子的相對(duì)襯度和位移矢量圖；（e）圖a-d選區(qū)中的位移矢量與角度分布圖；（g）圖d與圖f中的角度統(tǒng)計(jì)圖。圖四： 相場(chǎng)模擬的介觀尺度結(jié)構(gòu)變化和壓電應(yīng)變曲線（a-b）四方相基體和局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)區(qū)域隨外部電壓的變化；綜上所述，作者利用原位同步輻射、球差校正透射電鏡、相場(chǎng)模擬，表明四方相結(jié)構(gòu)耦合大量的小角度局域結(jié)構(gòu)是造成多元素?fù)诫s鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷性能提高的原因。同時(shí)，相對(duì)于單一元素?fù)诫s，多元素?fù)诫s可以誘導(dǎo)更多的小角度局域結(jié)構(gòu)從而提升性能。該工作探索了從摻雜劑到微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為新型壓電陶瓷材料提供了更多的設(shè)計(jì)方向。論文鏈接： https://www./articles/s41467-021-21202-7
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