Adv. Funct. Mater.: [001]c-织构PNN-PZT弛豫型铁电陶瓷应用于高性能机电耦合器件

【引言】

压电材料具有将电能转换为机械能的能力，而机械能又是电能转换的能力，被广泛应用于医疗超声成像传感器、应力传感器、压电材料驱动器、超声波电机和储能装置等领域。压电材料的另一个有前途的应用是在振动能量采集采集器中，近年来，由于低能耗设备，特别是用于健康监测的可穿戴设备对可持续电力的需求越来越大，振动能量采集器受到了广泛的关注。一系列研究表明PNN-PZT陶瓷具有高效的能量采集特性，且以其制作的能量采集装置最大输出功率接近PMN-PT单晶制备的能量采集装置，展示了其在机电耦合器件特别是能量采集器件中的巨大应用潜力。

然而，传统PNN-PZT陶瓷的高介电常数限制了其性能指标，阻碍了PNN-PZT陶瓷在高功率密度能量采集器中的应用。近年来，织构陶瓷的研究取得了重大进展。与传统陶瓷中晶粒取向的随机分布不同，织构工程通过选取特定取向的模板引导陶瓷晶粒在某一个方向上定向排列生长，使陶瓷在该方向上表现出可类比于单晶材料的电学性能。此外，有研究表明[001]_C织构弛豫型铁电陶瓷与普通陶瓷相比具有更好的机电耦合性能，并且陶瓷织构化还可以改善器件的能量收集性能。因此研究制备具有织构结构的PNN-PZT陶瓷，有望获得高机电耦合、能量采集性能优异的压电材料，为下一代微型化、多层结构压电器件的研制开发和应用推广打下了基础。

【研究简介】

   近日，北京大学董蜀湘教授团队及其合作者哈尔滨工业大学曹文武教授在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题目为“High-Performance [001]c-Textured PNN-PZT Relaxor Ferroelectric Ceramics for Electromechanical Coupling Devices”的文章。文章第一作者为北大、哈工大联合培养博士生边浪同学。该研究将BaTiO₃（BT）作为模板，采用模板晶粒生长法制备了[001]c-织构的PNN-PZT铁电陶瓷材料。并从织构分数、微观结构、压电性能、铁电性能和介电性能等方面对不同模板含量的样品进行了比较。研究表明采用体积分数为2%的BaTiO3模板制备的样品具有82%的织构分数，并且表现出最佳的压电性能。此外，该研究还对PNN-PZT织构陶瓷的畴结构进行了观察和分析，为PNN-PZT织构陶瓷巨压电和机电耦合特性的起源提供了线索。

【图文简介】

图1 PNN-PZT-xBT陶瓷的X射线衍射图

图2 不同BT模板含量样品的SEM图像

a）0% BT，b）1% BT，c）2% BT，d）3% BT，e）5% BT。

图3 PNN-PZT-xBT织构陶瓷（x=0-5vol%）的P-E电滞曲线

图4

a） 1 kHz下PNN-PZT-xBT陶瓷的介电温谱；

b） 室温下tanδ和ε₃₃随BT模板含量的变化；

c） PNN-PZT-xBT陶瓷的ln（1/ε-1/ε_m）与ln（T-T_m）的关系图。

图5

a）在3 kV cm^-1下测得的单极S-E曲线；

b）有效压电系数随电场的变化函数。

图6

a） d₃₃和g₃₃⋅d₃₃作为BT模板含量的函数；

b） PNN-PZT-2BT织构陶瓷与其它Pb基织构陶瓷的压电性能对比。

图7 PNN-PZT-2BT陶瓷在[001]C面1.5 μm×1.5 μm范围内扫描的PFM图像

【小结】

总之，该研究采用TGG法成功制备了不同BT模板含量的高取向[001]C织构的PNN-PZT陶瓷。系统研究了织构化PNN-PZT-xBT陶瓷的结构、畴形态、介电性能、压电性能和机电耦合性能。结果表明，织构化工程策略可以在提高PNN-PZT陶瓷压电性能的同时降低其介电常数，从而显著提高机电耦合器件的g₃₃⋅d₃₃值。对于PNN-PZT-2BT织构陶瓷，其d₃₃、d₃₃*和g₃₃⋅d₃₃的值可分别达到1210 pC N^-1、1773 pm V^-1和21.92×10^-12 m² N^-1，分别比无取向普通陶瓷高13%、54%和68%。本文报道的PNN-PZT-2BT织构铁电陶瓷的压电常数d₃₃优于以往报道的织构铁电陶瓷。因此，这种新型织构陶瓷在许多实际应用中具有巨大的潜力，包括医学超声成像传感器和能量收集装置。此外，PFM还观察到了纳米级的迷宫畴结构，研究者认为PNN-PZT-2BT陶瓷中的小畴尺寸（<200nm）直接决定了其优异的压电和机电性能。

文献链接: High-Performance [001]c-Textured PNN-PZT Relaxor Ferroelectric Ceramics for Electromechanical Coupling Devices, 2020, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202001846.

团队介绍：

董蜀湘教授团队长期从事压电、铁电、磁电功能材料与器件，以及近期的3D打印与柔性电子、压电超材料、纳米压电马达方面的研究，在压电、磁电理论和器件研究方面都颇有建树，如在压电基础理论研究方面，将超材料有序功能基元设计思想引入压电陶瓷体系，首次实现全部非零的18个压电应变系数单元，打破了传统上70多年来压电陶瓷材料只有五个非零压电系数d_ij的认知,这一突破性工作发表在Science advances, 2019 刊物上；在磁电功能材料的理论方面，创立了“磁－弹－电”耦合的等效电路方法，是目前公认的理论方法之一。在压电微马达研究方面，最早发明了世界上最小的压电微马达，研发出低温驱动器、高温压电马达与高温驱动器，以及研发出具有微纳米分辨率的系列直线压电马达；部分成果已在厦门实现了产业化,并成功应用于墨子号卫星空间通讯（2018）；在磁电复合材料研究领域，发现了最强的磁－电耦合复合材料、发现磁电复合材料的超高磁场灵敏度、发现磁电材料的电压增益效应和电流－电压转换效应；在压电换能器方面，发现谐振声场扰动的目标定位方法、声谐振腔的氢气检测方法等。在微能源采集方面，利用自主研发的3D打印设备，制备出国际上功率密度最高的柔性压电采能器件，在国际顶级刊物《能源与环境科学》上发表。董蜀湘在国际权威刊物Science advances, Energy and Environment Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Scientific Reports, Applied Physics Letters等，共发表SCI收录文章160余篇。文章SCI总引用次数8200余次；拥有30余项授权美国和中国发明专利。董蜀湘教授团队先后承担国家基金委重点项目1项，面上基金5项；承担国家863项目1项；承担北京市重大科技专项2项以及国防项目2项，另外承担企业合作和联合实验室项目多项。董蜀湘教授连续多年入选Elsevier物理与天文领域中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）和最具世界影响力的中国学者。