物理學院田浩、周忠祥課題組在高性能壓電單晶研究方面取得重要進展

2020-12-14 哈爾濱工業大學新聞網

哈工大報訊(田浩/文) 近日，我校物理學院田浩教授、周忠祥教授與清華大學材料學院王軻副教授、李敬鋒教授合作報導了關於鈮酸鉀鈉（KNN）高性能無鉛壓電單晶的文章。相關研究成果以《Ultra-large electric-field-induced strain in potassium sodiumniobate crystals》為題，於2020年3月在線發表在國際知名學術刊物《科學進展》（ScienceAdvances）上。

壓電材料是一類能夠實現機械能和電能互相轉換的重要信息功能材料，在微機電系統（MEMS）、能量回收、醫療診斷、無線通訊等領域有著廣泛的應用基礎。2019年全球壓電材料與器件市場規模已超過250億美元[1]，其中以鋯鈦酸鉛PZT為代表的含鉛壓電材料佔據了絕大部分的市場份額。歐盟RoHS指令規定：鉛基壓電材料在電子電器產品中的使用或將從2021年開始不被豁免。部分應用領域的無鉛化替代會是未來電子工業材料產業化應用的新賽道，目前全球無鉛壓電材料的市場規模正以20.8%的年均複合增長率高速增長，並有望在2024年超過4億美元[1]。

近些年來，無鉛壓電材料的研究數不勝數，其中鈮酸鈉鉀壓電材料（K1-xNaxNbO3，簡稱KNN）由於其較高的壓電係數和居裡轉變溫度，顯現出它巨大的發展潛力。田浩教授和周忠祥教授研究團隊創新性地利用單晶生長過程中的成分梯度，生長出了具有可控成分梯度的高質量KNN單晶，晶體材料在1kV/mm的電場強度下具有高達0.9%的應變表現，實現了高達9000pm/V的大信號壓電係數（圖1）。此外，晶體的壓電性能在25°C至125°C的範圍不隨溫度減弱，顯示出優異的溫度穩定性，整體性能遠遠優於鉛基單晶。

研究團隊通過原位高能X射線衍射證實此高壓電性能源於非180°電疇的翻轉（圖2）。通過對沿成分梯度的系列晶體進行分區域的電疇和極化特性觀察，研究團隊發現超大壓電響應只存在於鉀/鈉比為43/57的晶體材料附近，該區域電疇結構呈現複雜的人字形（圖3）。

圖1.KNN晶體材料（KNN43）的壓電性能。A室溫下KNN43晶體的電致應變及與其他鉛基材料的比較；B不同材料d33*的溫度依賴性。

圖2.晶體的原位倒易空間圖。A初始狀態下數據採集幾何空間示意圖，倒空間中的hk和hl平面；B和C電場作用前後的302衍射峰變化；D和E電場作用前後的310衍射峰變化。

圖3.KNN晶體的壓電性能與疇結構。A 壓電係數d33隨鉀含量的變化；B KNN晶體；C 宏觀自發極化方向隨成分變化示意圖；不同K含量晶體（D 0.37，E 0.43和F 0.45）的電疇結構；G由組分梯度誘導的電疇翻轉回復力示意圖。

我校胡程鵬博士、孟祥達博士和清華大學的碩士畢業生張茂華為該論文共同第一作者。參與此研究的合作者還包括澳大利亞新南威爾斯大學John E. Daniels教授、哈爾濱工程大學李立教授和天津大學呂且妮教授等。本研究工作得到了國家自然科學基金委等項目的支持。

此外，今年1月田浩教授和博士生王宇與西安交通大學李飛、徐卓教授、美國賓州州立大學陳龍慶教授等研究團隊合作，在《Nature》報導了關於透明高性能壓電材料研究的最新成果。研究團隊通過交流極化的方法製備出了同時具有高壓電和電光效應以及接近理論極限透光性的弛豫鐵電單晶（Transparent ferroelectriccrystals with ultrahigh piezoelectricity，Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1891-y）。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay5979

參考文獻：[1] M. Gagliardi, Am. Ceram. Soc. Bull. 99,7 (2019).


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