浙江大学材料学院吴勇军/黄玉辉团队【AFM】：BF-BT无铅压电陶瓷中内部偏置场的形成机制及电致应变性能优化

压电致动器可以将电信号直接转换为机械应变，具有位移准确、体积小、响应速度快、功耗低等优点，已广泛应用于精密光学仪器、微电子机械系统和机器人等领域。目前，铅基压电陶瓷仍然是商用压电致动器的首选材料，但含铅材料的使用也带来了越来越多的环境和健康问题。因此，开发高性能的无铅压电陶瓷势在必行。BiFeO₃-BaTiO₃(BF-BT)陶瓷具有高居里温度，良好的铁电与压电性能，是压电致动器向无铅化和高温化发展的理想材料之一。然而，和其他无铅压电陶瓷体系类似，BF-BT陶瓷的压电性能相比于铅基陶瓷体系仍然存在较大差距。

为了改善无铅陶瓷的电致应变性能，研究人员采用了多种策略，包括微观结构优化、相界工程、局部结构非均质性/极性纳米微区、缺陷偶极子工程等。其中，缺陷偶极子工程近年来在提高铌酸钠钾（KNN）、钛酸铋钠（BNT）等无铅压电陶瓷电致应变性能方面取得了重大突破。但是，关于BF-BT压电陶瓷中缺陷偶极子调控的研究相对较少，其内部偏置场的形成机制及其对电致应变性能的影响规律尚不清楚。

浙江大学材料学院吴勇军/黄玉辉团队利用两步法制备了因Bi挥发和Fe变价而含有和缺陷偶极子的0.67Bi_1.05FeO₃-0.33BaTiO₃(67BF-33BT)陶瓷，并通过多次极化–老化处理在样品内形成较大的内部偏置场，内部偏置场的存在使得67BF-33BT陶瓷在不同电场方向的极化翻转呈现出各向异性，陶瓷表现出不对称的电学性能。在低电场(20 kV cm^-1)作用下，67BF-33BT陶瓷表现出大应变(s=0.21%)和优异压电性能(d₃₃^*=1033.70 pm V^-1)。团队还系统研究了内部偏置场和非对称电学性能随外加电场和温度的变化规律，提出了67BF-33BT陶瓷中的内部偏置场由两部分贡献，一部分来自补偿退极化场的自由电荷，另一部分则源于高度取向的缺陷偶极子。内部偏置场随高外加电场和高温而减小，非对称的S-E曲线逐渐变得对称。本研究探讨了BF-BT陶瓷中内部偏置场的形成机制，展示了缺陷偶极子提高BF-BT陶瓷电致应变性能的巨大潜力，为开发高性能无铅压电陶瓷致动器提供了一种可行的策略。

相关成果以“Ultrahigh Piezoelectric Response Obtained by Artificially Generating a Large Internal Bias Field in BiFeO₃-BaTiO₃ Lead-Free Ceramics”为题，发表在材料科学领域著名学术期刊Advanced Functional Materials上。吴勇军教授、黄玉辉副教授为通讯作者，博士生林珈民为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

【图文解析】

图1. 未极化和极化–老化的67BF-33BT陶瓷在不同电场下电学性能的综合比较。a) 未极化和b) 极化–老化的67BF-33BT陶瓷的P–E曲线。c) 未极化和极化–老化的67BF-33BT陶瓷内部偏置场的比较。d) 未极化和极化–老化的67BF-33BT陶瓷的双极S–E曲线。e) 未极化和极化–老化的67BF-33BT陶瓷中双极应变对应的压电系数d₃₃^*。

图2. 极化–老化的67BF-33BT陶瓷中内部偏置场发展及其导致的不对称电学性能的潜在机制。a) 具有复杂的多晶多畴的未极化67BF-33BT陶瓷示意图。b) 由自由电荷补偿退极化场而产生的E_i1。c)具有定向自发极化和随机取向的缺陷偶极子的极化67BF-33BT陶瓷。d, e) 老化后形成取向的和缺陷偶极子而产生的E_i2。f, g) 缺陷偶极子和自发极化在低电场下对双极应变的贡献。h) 20 kV cm^-1的实验结果。i, j) 缺陷偶极子和自发极化在高电场下对双极应变的贡献。k) 40 kV cm^-1的实验结果。

图4. 极化–老化的67BF-33BT陶瓷在不同电场(25-40 kV cm^-1)和温度(RT至180°C)下双极应变的变化。a) 25 kV cm^-1，b) 30 kV cm^-1，c) 35 kV cm^-1，d) 40 kV cm^-1的双极S–E曲线。