《自(zi)然(ran)·材料(liao)》重大突破(po)：西安(an)交(jiao)大采(cai)用ZJ-6型壓(ya)電(dian)測試(shi)儀高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)材料(liao)

《自(zi)然(ran)·材料(liao)》重大突破(po)：西安(an)交(jiao)大采(cai)用ZJ-6型壓(ya)電(dian)測試(shi)儀測(ce)量(liang)到高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)材料(liao)

《自(zi)然(ran)·材料(liao)》重大突破(po)：西安(an)交(jiao)大高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)材料(liao)取得重(zhong)大突破(po)

西安(an)交(jiao)大正是(shi)采(cai)購(gou)了ZJ-6型精密(mi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)和(he)ZJ-6型壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)

進行(xing)高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)材料(liao)測試

壓(ya)電(dian)材料(liao)是(shi)壹種智能(neng)材料(liao)，能(neng)夠(gou)實現機(ji)械(xie)信(xin)號(hao)與(yu)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)轉換(huan)，以(yi)及產生(sheng)電(dian)驅(qu)動(dong)的(de)聲(sheng)波(bo)發(fa)射和(he)功率(lv)輸出，廣(guang)泛(fan)應(ying)用於電(dian)子、自(zi)控、機(ji)械(xie)、航(hang)空(kong)航(hang)天等(deng)諸多領(ling)域。壓(ya)電(dian)材料(liao)的(de)優劣(lie)，直接決定了(le)醫(yi)用(yong)B超(chao)、艦船(chuan)聲(sheng)吶(na)等(deng)機(ji)電(dian)系(xi)統(tong)的(de)性能(neng)，因此(ci)科學家(jia)們孜(zi)孜(zi)不倦(juan)地探(tan)索(suo)具有更(geng)高(gao)壓(ya)電(dian)性能(neng)的(de)新材料(liao)。

近日(ri)，Nature Materials期(qi)刊（影響(xiang)因(yin)子39.7）以(yi)“設(she)計具有(you)高(gao)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)的(de)鐵電(dian)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)”為(wei)題(ti)發(fa)表了(le)西安(an)交(jiao)大電(dian)信(xin)學院電(dian)子科學與(yu)技(ji)術(shu)系(xi)教(jiao)師李(li)飛(fei)副教授及(ji)其合作者(zhe)的(de)壹篇(pian)研究(jiu)論文，報(bao)道了他(ta)們在高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)設(she)計合成(cheng)方(fang)面(mian)取(qu)得(de)的(de)重大突破(po)。

基(ji)於唯象(xiang)理論和(he)相場(chang)模(mo)擬(ni)，李飛(fei)及其合作者(zhe)們(men)提(ti)出了(le)壹(yi)種(zhong)新的(de)設(she)計策(ce)略(lve)（圖壹），即(ji)：通(tong)過引(yin)入局(ju)部(bu)異(yi)質(zhi)結構來操縱(zong)界面(mian)能(neng)並改(gai)變(bian)鐵(tie)電(dian)材料(liao)的(de)平(ping)均(jun)自(zi)由能(neng)曲面(mian)，從(cong)而(er)進壹(yi)步提(ti)升(sheng)材料(liao)壓電(dian)性能(neng)。

圖壹 引入局(ju)部(bu)異(yi)質(zhi)結構來提(ti)升(sheng)性能(neng)的(de)設(she)計思(si)路(lu)和(he)相場(chang)模(mo)擬(ni)結果(guo)

研究(jiu)團隊成功(gong)合成(cheng)出了(le)稀(xi)土元素Sm摻雜(za)的(de)Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3（Sm-PMN-PT）壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)，獲得(de)高(gao)達(da)1500 pC/N的(de)壓電(dian)系(xi)數（圖二），介電(dian)常數超過13000，居(ju)裏溫(wen)度(du)為(wei)89℃。

圖二 稀(xi)土元素Sm摻雜(za)提(ti)升(sheng)PMN-PT陶(tao)瓷(ci)壓電(dian)系(xi)數的(de)實驗(yan)結果(guo)

通過低(di)溫(wen)介(jie)電(dian)性能(neng)、同步輻射X-射線衍射和(he)高(gao)分(fen)辨球差(cha)電(dian)鏡(jing)實驗(yan)（圖三），研究(jiu)團隊進壹(yi)步驗(yan)證(zheng)了(le)Sm摻雜(za)PMN-PT陶(tao)瓷(ci)高(gao)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)與局(ju)域結構的(de)關系(xi)。這壹(yi)研(yan)究工(gong)作為(wei)高(gao)性(xing)能(neng)壓電(dian)材料(liao)設(she)計提(ti)供(gong)了壹(yi)種(zhong)新的(de)思(si)路(lu)和(he)範(fan)例，可(ke)能(neng)用於諸多功能(neng)材料(liao)的(de)設(she)計合成(cheng)中。

圖三 高(gao)分(fen)辨球差(cha)電(dian)鏡(jing)驗(yan)證(zheng)了(le)Sm-PMN-PT陶(tao)瓷(ci)在納(na)米(mi)尺度(du)上(shang)結構的(de)不均(jun)勻(yun)性

Nature Materials同(tong)時還(hai)以(yi)“通過增(zeng)強（結構）無序(xu)性獲(huo)得超高(gao)壓(ya)電(dian)性”為(wei)題(ti)刊(kan)發(fa)了(le)歐(ou)洲科學家(jia)Barbara Malic教授及(ji)其合作者(zhe)（現任(ren)斯(si)洛(luo)文(wen)尼亞(ya)Jozef Stefan研(yan)究院電(dian)子陶(tao)瓷(ci)研究(jiu)部(bu)主任(ren)）對這個(ge)重(zhong)大突破(po)的(de)評價：“引入化(hua)學和(he)結構的(de)局(ju)部(bu)無序(xu)，結合相場(chang)模(mo)擬(ni)和(he)實驗(yan)，發(fa)現稀(xi)土摻雜(za)能(neng)增強(qiang)PMN-PT的(de)無序(xu)，使(shi)能(neng)量曲(qu)線(xian)扁(bian)平(ping)化(hua)，在(zai)Sm摻雜(za)的(de)成分(fen)中獲(huo)得(de)了1500 pC/N的(de)壓電(dian)系(xi)數，這是(shi)目(mu)前已知壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)zui高(gao)性(xing)能(neng)” “可以(yi)設(she)想(xiang)在(zai)低(di)成(cheng)本和(he)大規模(mo)生產(chan)的(de)前提(ti)下(xia)，用這種(zhong)陶(tao)瓷(ci)來替(ti)代(dai)壓(ya)電(dian)器件(jian)中的(de)單晶(jing)，並獲得(de)可以(yi)比擬(ni)的(de)性能(neng)”。對該工(gong)作的(de)學術(shu)意(yi)義和(he)實際應(ying)用價值給出了(le)高(gao)度(du)贊(zan)許。

目(mu)前，該工(gong)作已(yi)被包(bao)括美(mei)國(guo)能(neng)源(yuan)部(bu)、pro-physik、Phys.org等多家(jia)科技(ji)學術(shu)進行(xing)了跟(gen)蹤(zong)報(bao)道。課題(ti)組(zu)與(yu)中國(guo)科學院深(shen)圳*技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)院、美(mei)國(guo)南(nan)加州大學合作，已(yi)利(li)用新開發(fa)的(de)壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)設(she)計並制作了(le)40MHz高(gao)頻超聲(sheng)換(huan)能(neng)器探(tan)頭(tou)，如(ru)圖四所示(shi)。相比於利(li)用(yong)傳(chuan)統(tong)P5H陶(tao)瓷(ci)和(he)PMN-PT單晶制作的(de)超聲(sheng)換(huan)能(neng)器，該換(huan)能(neng)器具(ju)有(you)更(geng)大的(de)成像帶寬（80%）和(he)更(geng)高(gao)的(de)成像靈敏度(du)（-13dB），在(zai)高(gao)分(fen)辨醫學成(cheng)像領(ling)域中展(zhan)現出應(ying)用潛力。

圖四 a 高(gao)頻超聲(sheng)換(huan)能(neng)器原理(li)圖及實物照(zhao)片(pian)  b 超聲(sheng)換(huan)能(neng)器性(xing)能(neng)參數。數據源(yuan)於：IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 65(2), 223-230 (2018).

李(li)飛(fei)本科、博(bo)士均(jun)畢(bi)業於西安(an)交(jiao)通(tong)大學電(dian)信(xin)學院電(dian)子科學與(yu)技(ji)術(shu)系(xi)，是(shi)電(dian)子陶(tao)瓷(ci)與器件(jian)教育部(bu)重點(dian)實驗(yan)室(shi)和(he)電(dian)介質(zhi)研(yan)究(jiu)中心(xin)的(de)學術(shu)骨(gu)幹(gan)，承擔了(le)多項國(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科學基(ji)金(jin)的(de)研究(jiu)任(ren)務，目(mu)前在美(mei)國(guo)賓(bin)夕法尼亞(ya)州立大學開展(zhan)學術(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作。該工(gong)作是(shi)由壹個(ge)化(hua)的(de)研究(jiu)團隊通力(li)協(xie)作而(er)完成，包(bao)括美(mei)國(guo)賓(bin)夕法尼亞(ya)州立大學、澳(ao)大利亞(ya)悉(xi)尼大學和(he)澳大利亞(ya)伍倫貢(gong)大學。論文的(de)共同(tong)通(tong)訊作者(zhe)是(shi)李飛(fei)副教授、美(mei)國(guo)賓(bin)夕法尼亞(ya)州立大學陳龍慶(qing)教(jiao)授以(yi)及澳大利亞(ya)伍倫貢(gong)大學張(zhang)樹(shu)君教(jiao)授。論文作者(zhe)還(hai)包(bao)括電(dian)信(xin)學院徐(xu)卓(zhuo)教(jiao)授和(he)西安(an)交(jiao)大畢(bi)業的(de)林大斌(bin)博(bo)士和(he)李純(chun)純(chun)博(bo)士。