他，回国5年，狂揽4篇Science、Nature正刊！

研究表明，锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O₃或PZT]陶瓷的压电性能可以通过制造纹理陶瓷沿特定取向的排列来增强。

在此，西安交通大学李飞教授，哈尔滨工业大学常云飞教授和澳大利亚伍伦贡大学张树君教授提出了一种种子钝化纹理工艺，利用新开发的Ba(Zr,Ti)O₃微血小板模板制备PZT陶瓷，该过程不仅确保了模板诱导的富钛PZT层中的晶粒生长，而且还通过锆和钛的层间扩散促进了所需的成分。

结果显示，本文成功地制备了具有优异性能的纹理PZT陶瓷，包括360℃的居里温度，每牛顿760微库仑的压电系数和0.85的机电耦合因子。本研究通过抑制PZT粉末和钛酸酯模板之间的剧烈化学反应，解决了制造纹理菱形PZT陶瓷的挑战。

相关文章以“Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains”为题发表在Science。这也是李飞教授团队第4篇Science/Nature。

前三篇分别为：

1. 在Science 在线发表题为“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”的研究论文；

2. 在Nature 在线发表题为“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity”的研究论文；

3. 在Science 在线发表题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ single crystals”的研究论文。

内容详解

二维压电材料对电场有机械响应，这是许多机电应用中传感器和传感器的核心元件。锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O₃或PZT]，Pb在A位置和ABO₃钙钛矿结构（MPB）组成具有大量的压电活性，如压电系数d₃₃>200 pC N^-1、机电耦合因子k₃₃> 0.60和相对较高的居里温度T_C（~350℃）。

它们也很容易以低成本制造，PZT基陶瓷作为最经典和最具开创性的钙钛矿固溶体，是众多压电器件的首选材料，例如用于微纳制造的高精度致动器，用于医学成像和治疗的超声换能器，以及为远程物联网设备供电的机械能量收集器。

鉴于现代医学诊断和精密制造的需求不断增加，需要具有更好性能的压电材料（例如，具有高温稳定性和/或宽使用温度范围的优异压电性），并且已经做出了巨大的努力来优化PZT陶瓷的压电活性。

最有效的方法之一是诱导结构不稳定性，这可以包括在组合物中添加松弛剂末端，但这种方法将降低 T_C。根据一般观察，E_C的降低使压电陶瓷更容易去极化，降低了输出能量密度，增加了压电换能器结构的复杂性。

用BiScO₃取代BiScO₃-PbTiO₃（BS-PT）PZ将导致更高的T_C（~450℃），而BS-PT存在制造困难、机电耦合系数低、氧化物成本高等缺点，限制了对其改性的进一步研究。

此外，为了利用晶体各向异性来实现高压电性，另一种方法是通过制造纹理陶瓷沿着特定的晶体学方向设计陶瓷颗粒。然而，由于PZT粉末与传统使用的钛酸酯模板（BaTiO）之间的剧烈反应，PZT固溶体的进展非常缓慢。

先前的研究表明，如果PZ含量为>35%，钛酸酯模板在PZT粉末中热不稳定，这导致制造具有MPB组成的纹理PZT陶瓷需要PZ含量为~52%。。

本文通过两种方式应对上述挑战。首先，采用改进的拓扑化学方法，合成板状<100>取向的Ba(Zr_0.1Ti_0.9)O₃（BZT）微晶体，取代常用的模板。与BaTiO₃模板相比，BZT模板在PZT粉末中更稳定，可用于制备PZ含量高达45%的纹理PZT陶瓷，比钛酸钡模板高10%。

然而，进一步增加Ba(ZrTi)O₃模板中BaZrO₃的含量（如20%），破坏了模板的形貌，并使PZ >45%的纹理PZT陶瓷不可行。

其次，本文开发了一种种子钝化纹理工艺，其中两种不同的泥浆用于胶带铸造含3 vol % BZT模板的Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃粉末和无模板的PZ粉末。将两个不同的层交替堆叠形成最终的胶带，以保证模板诱导的富Ti层的晶粒生长，同时在烧结过程中通过Zr和Ti扩散实现所需的MPB组成。

图1. 种子钝化纹理过程的示意图及实验

图2. PZT纹理陶瓷的微观结构分析

图3. PZT纹理陶瓷的电场诱导应变的机电性能和原位同步辐射XRD分析

图4. 纹理PZT陶瓷机电性能的热稳定性

总之，本文基于种子钝化纹理工艺，成功制造了一系列具有高机电性能和高T_C的PZT基纹理陶瓷，这在过去几十年中是无法实现的。本文的方法解决了压电和居里温度只能以牺牲彼此为代价来增强的困境。

除了预期的令人鼓舞的机电性能及其对最重要和广泛使用的铁电固溶体的基本理解的影响外，这项工作还为制造由于模板和陶瓷粉末之间不可避免的化学反应而尚未制造的纹理陶瓷提供了一条通用的途径。

作者介绍

李飞，2006年本科毕业于西安交通大学电子科学与技术系，2012年获得西安交通大学微电子与固体电子学博士学位。李飞教授主要从事铁电压电材料与器件的研究工作，2015-2018年，先后以博士后和助理研究员身份，在美国宾夕法尼亚州立大学从事研究工作。

以第一作者或通讯作者在包括Nature，Science, Nature Materials，Nature Communication等国际顶级期刊发表学术论文60余篇，授权发明专利7项。获得2019年国家自然科学基金委“优秀青年基金”项目资助、IEEE UFFC Ferroelectric Young Investigator Award、美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award等奖项。他研制的具有超高压电性能的透明铁电单晶入选2020年度中国科学十大进展。

文献信息

Jinglei Li, Wanbo Qu, John Daniels, Haijun Wu, Linjing Liu, Jie Wu, Mingwen Wang, Stefano Checchia, Shuai Yang, Haobin Lei, Rui Lv, Yang Zhang, Danyang Wang, Xuexin Li, Xiangdong Ding, Jun Sun, Zhuo Xu, Yunfei Chang*, Shujun Zhang*, Fei Li*, Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains, Science, 2023,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/09/21893c1803/

他，回国5年，狂揽4篇Science、Nature正刊！

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