无铅压电材料的多层次结构调控与表征技术

High-performance lead-free piezoceramics is one of the most important topics among scientific concerns on functional oxides. The development of several issues is at the key stage presently. The current proposal is focused on KNN and BNT based systems, which are the most promising candidates. Investigations focused on hierarchical structures from crystalline phase to atomic-level local features will be conducted, including crystalline refinement and ionic bond characterization by synchrotron source，micro & nano domain observations by HRTEM, and so on. The piezoelectric responses on multiscale structures and electric field will be clarified, resulting in optimal designing principles for high-performance lead-free piezoceramics, which will certainly shed light on further enhancement of piezoelectric activities for favorable materials such as KNN and BNT. Benefiting from this project, academic influence of Chinese researchers on lead-free piezoceramics will be strengthened and enhanced, while creative studies on this topic will be promoted.

高性能无铅压电材料是功能陶瓷的重要研究方向之一，目前相关研究进入了关键阶段。本项目将围绕铌酸钾钠（KNN）和钛酸铋钠（NBT）等代表性无铅体系，开展从材料的相结构到原子尺度的多层次结构表征方法研究，包括利用同步辐射研究晶体与相结构以及离子位移和利用高分辨透射电镜研究微-纳多层次畴结构和自发极化位移等重要内容。本项目将通过揭示多层次结构对外电场的压电响应特性影响规律，勾画出高性能无铅压电材料的多层次结构优化设计的图像，为大幅提高KNN和BNT等无铅压电材料的压电性能指出基于多层次结构调控的有效材料组成与工艺优化途径。本项目成果将有利于巩固和提高我国在无铅压电陶瓷研究领域的学术影响力，推动开展高性能无铅压电材料的原创性研究。

围绕“无铅压电材料的多层次结构调控与表征技术”开展创新研究，主要在以下5个方面取得重要进展：（1）压电力显微镜的表征技术：发展了压电陶瓷的压电力显微镜（PFM）表征技术，实现了块体材料、薄膜及一维纳米棒的畴结构与微区压电特性的PFM表征，揭示了铌酸钾钠（KNN）基陶瓷的多层次畴结构、温变过程中铁电畴与相结构的变化规律。（2）原位压电响应特性研究：利用同步辐射X射线衍射研究了CaZrO3掺杂KNN基陶瓷在电场作用下的相结构，发现电场诱发四方-正交铁电相变，相变点随电场强度向高温移动，其相变范围也随之弥散。（3）弥散相变及其作用机制：在以上成果的基础上，提出利用弥散相变提高KNN基陶瓷温度稳定性的思想，其有效性在多个成分体系中得到验证，并揭示了提升温度稳定性的弥散相变作用机制。（4）高压电性及其机理：在第（3）项成果的基础上，分别研发出2种高性能KNN基陶瓷：(Bi,Na,Ba)ZrO3掺杂KNN基陶瓷具有高正压电系数和温度稳定性，d33高达450 pC/N，在室温-80oC内变化幅度低于10%；BaZrO3/(Bi0.5,Na0.5)HfO3掺杂Sb-KNN基陶瓷的逆压电系数d33*>640 pm/V，在20-100℃内其变化幅度低于± 6 %。发现纳米尺度局部不均匀结构是提升压电活性和温度稳定性的起源。（5）反铁电相-铁电相变：研究发现Ta掺杂可显著提升AgNbO3陶瓷的介电击穿强度和反铁电稳定性，揭示了B位离子极化率的降低是增强AgNbO3反铁电稳定性的主要机理。该工作为研究高性能无铅压电陶瓷研究提供了新思路和途径。 .在Adv. Mater.、Energy & Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上共发表72篇SCI论文（ESI高被引论文4篇），获授权发明专利2项和公开发明专利1项，课题负责人作大会报告4次和邀请报告18次，包括铁电领域著名会议（25届IEEE国际铁电应用会议, 2016年，德国）大会报告，主办7次国际会议，项目负责人作为Guest Editor应邀在著名期刊MRS Bulletin组织专辑（Lead-Free Piezoelectrics，Vol.43, Issue 8, August 2018）。骨干成员获 “青年长江学者”和“优秀青年基金”资助。