Nat. Mater.：在多晶压电材料中电子应变超过1％的新突破

【引言】

最近，高性能压电技术被广泛应用于医疗成像、高精度驱动、制导系统、汽车工业等领域。压电材料用作致动器的最重要的参数是由电场（也称为电应变）引起的应变，压电致动器将电能转化为机械能，并且由于它们的紧凑性，快速响应时间和精确的位移，它们在许多应用中受到追捧。多晶压电陶瓷技术上比单晶更具吸引力，因为它们更简单且成本更低，但尚未显示超过1％的电应变值。

【成果简介】

近日，来自印度科学理工学院的Rajeev Ranjan（通讯作者）的团队在Nat. Mater.发表了题为Electrostrain in excess of 1% in polycrystalline piezoelectrics的文章，该团队利用电场有效切换铁电-铁弹性域，以在假三元铁电合金体系BiFeO₃-PbTiO₃-LaFeO₃中实现1.3%的高电应变值，详细的结构研究表明，这种电应变与多种因素相结合：压电相的大自发晶格应变，畴微型化，低对称铁电相和非180°畴的非常大的反向开关，对具有高电子静电的新一类多晶压电陶瓷的设计的这种见解可能有助于开发单晶致动器的替代品。

【图文导读】

图1：结构-性质相关性

a: 0.55Bi_1-yLa_yFeO₃-0.45PbTiO₃的电场依赖性单极应变；

b: 大信号压电系数与La浓度的函数；

c:布拉格剖面的演变与La浓度的函数关系；

c: La浓度的与温度的关系。

图2：极化和非极化BF-Pt45：La（y = 0.30）的结构研究。

a-b: NPD图和XRD图；

c: 拉曼光谱图；

d: 电子衍射图，NPD图案和[110]电子衍射图案显示额外的超晶格斑点。

图3：极化和非极化BF-PT45：La（y = 0.30）的HAADFSTEM图

a: 未取代的BF-PT45：La（y = 0.30）的（001）取向的晶粒的代表性HAADF-STEM图；

b:极化和非极化标本中的一个域的放大图像，亮点表示这些图像中的A位（Pb/Bi / La）原子， b和c中的插图显示了A点质心图。

图4：用电场进行域切换

a: 作为增加场（a）和减小场（b）的函数，BF-PT的{200} pc XRD布拉格谱的演变；

b: 作为循环单极场的函数的畴转换分数。

图5：与Pt-BNZ比较

a:未极化和极化PT-BNZ粉末的的XRD反射；

b:未掺杂的PT-BNZ粉末的NPD布拉格剖面；

c:相应样品中的单极应变。

图6：结构-性质相关性

a:作为La浓度（y）的函数，0.60Bi_1-yLa_yFeO₃-0.40PbTiO₃的XRPD图的演变；

b:极化和非极化粉末0.60Bi_1-yLa_yFeO₃-0.40PbTiO₃（y = 0.20）的XRD反射；

c:相应样品中的单极电应变响应。

【小结】

该团队的研究结果表明，准同型相边界系统以其增强的弱信号压电响应而闻名，可能不是在多晶压电陶瓷中实现非常大的电应变的正确候选者，因为它们通常不显示大的反向开关铁电-铁弹性域，这种性质应该是寻求具有短和长相干长度的极化以及它们之间的强耦合的神经电系统。基于目前的研究，他们认为大型应变致动器材料开发的设计标准应该从选择具有大发极化/应变的铁电主体开始，然后找到合适的化学取代基，这不仅带来异质畴结构，也能够降低铁电相的对称性。

文献链接：Electrostrain in excess of 1% in polycrystalline piezoelectrics（Nat. Mater.2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0060-2）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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