锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷材料由于压电系数高、性能稳定、机械强度大等优点，综合生产工艺简单和价格相对低廉的特点，是目前使用最广泛的压电陶瓷材料。然而，在目前的PZT陶瓷性能改性方法中，压电性的增强通常以牺牲如居里温度、机械品质因数等其他关键性能参数为代价，限制了材料的应用领域。大多数压电陶瓷的各性能参数之间存在一定的制衡，基于新方法新机理突破传统PZT压电陶瓷的性能局限，实现压电陶瓷的多参数共高是该领域的研究热点和难点。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所压电陶瓷材料与器件研究团队创新性通过高于居里温度极化方式调控铁电畴结构，并结合缺陷工程的策略，对PZT基压电陶瓷开展了系列研究，并取得了最新进展。在0.6 mol% MnCO₃掺杂的 Pb(Sb_0.5Nb_0.5)_0.02Zr_0.51Ti_0.47O₃压电陶瓷中通过结合高于居里温度极化与缺陷偶极子调控，压电系数从与P4体系相当的305pC/N提高到与P5体系相当的约436pC/N, 保持高机械品质因数546，并使居里温度高达320℃；通过结构表征并结合相场模拟的理论结果表明，其优异的压电性能源于高温极化后的高取向畴结构和较小的畴尺寸。另一方面，高温极化过程中 Mn³⁺ 离子的价态转变增加了陶瓷中的缺陷空位和晶格畸变，从而保持了陶瓷的受体掺杂特性。相关工作发表在Nano Energy,2023, 113: 108546。

进一步对高于居里温度极化的应用范围进行扩展，在0.6 mol % MnCO₃掺杂的 Pb_0.92Sr_0.08(Zr_0.533Ti_0.443Nb_0.024)O₃陶瓷体系中获得了压电特性为 d₃₃= 483 pC/N，Q_m = 448的优异性能。与传统极化相比，高于居里温度极化陶瓷的压电系数 d33提高了约 40%，Qm 也提高了近 18%。经瑞利定律分析、X射线衍射和透射电子显微镜分析表明，高温极化后，d33的大幅增加与本征效应中可逆畴壁运动的大幅增加有关，而 Qm的增加则与外征效应中不可逆畴壁运动受到抑制有关。该研究为设计兼具高压电系数、高机械品质因数和高居里温度的压电陶瓷提供了一种新的性能调控方法。相关工作发表在ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15(12): 15636-15645。

上海硅酸盐所博士研究生陈政燃、王武港为论文第一作者，梁瑞虹研究员为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学“叶企孙”科学基金、国家重点研发计划、中国科学院先导项目的支持。

相关链接： 

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108546

https://doi.org/10.1021/acsami.2c19802

a) 高于居里温度极化与传统极化方法获得的铁电畴演变示意图，b) Mn3+价态变化产生新的氧空位并强化钉扎的示意图，c1) 铅基压电陶瓷的大信号压电系数（d33*）与 Tc的函数关系， c2) 通过高于居里温度极化获得的MnCO3掺杂PSN-PZT 与已报道的 PZT 基陶瓷的性能比较

相较于传统极化方式，高于居里温度极化导致陶瓷畴结构和缺陷偶极变化的示意图