我校固体微结构物理国家重点实验室和Betway必威西汉姆联材料科学与工程系、南京微结构科学与技术协同创新中心的张善涛和陈延峰教授研究组，与国内外研究组紧密合作，在无铅压电陶瓷材料研究方面取得重要进展。他们的研究论文“Semiconductor/relaxor 0-3 type composites without thermal depolarization in Bi0.5Na0.5TiO3-based lead-free piezoceramics”于3月19日在线发表于《自然-通讯》杂志上(Nature Communications 6:6615, doi:10.1038/ncomms7615 (2015))。
压电陶瓷有着非常广泛的用途。目前，主导应用市场的是含铅压电材料如钙钛矿结构氧化物Pb(Zr,Ti)O3。由于铅的毒性，含铅材料在生产、使用、废弃过程中会对环境、人体健康产生危害。环境保护的压力、环保意识的增强和可持续发展的要求等，使得关于高性能无铅压电陶瓷的研究得到了广泛的重视。传统上，提高压电性能的方法是通过固溶构建准同型相界。钙钛矿结构氧化物Bi0.5Na0.5TiO3的固溶体是高性能无铅压电陶瓷的重要候选材料之一。限制Bi0.5Na0.5TiO3类固溶体实际应用的主要问题是其在100°C左右的热退极化，热退极化导致压电性减弱甚至消失。退极化温度决定了这类材料可应用的温度区间上限。事实上，热退极化这一难题也是Bi0.5Na0.5TiO3材料研究的一个的重要基础性问题，其起源机制和调控方法目前仍然不清楚。
这项研究把半导体ZnO引入Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3中，发展了一种独特的制备技术，使之分布于Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3晶界处，形成0-3型微结构材料（图1）。这种微结构铁电材料显著地降低了退极化，当ZnO达到30mole％时，完全抑制了退极化效应，其极化一直可以保持到BNT-BT的铁电相变温度。仔细的实验表明，这种微结构之所以能够抑制退极化的机制是：这种微结构材料进行极化后，外加的极化电场使得半导体ZnO中的电荷有序分布于Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3晶界处，从而产生一个局域电场，这一电场在外电场撤消以后，继续保持，并稳定了Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3晶粒中的电极化，因而抑制甚至消除了Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3的退极化（图2）。本工作获得了审稿人的高度评价，被认为是无铅压电领域中一个重大的突破(This piece of work is apparently a major breakthrough in the lead-free piezoceramic field)。
这一工作的主要意义在于：（1）为实现Bi0.5Na0.5TiO3-基无铅压电陶瓷的实际应用提供了基础；（2）跳出了传统的通过固溶法优化压电性能的思路，证明微结构材料能够在压电材料中调控电荷的分布，为进一步发展高性能压电材料提供了一种全新的视角；（3）有助于进一步理解Bi0.5Na0.5TiO3材料中的退极化机制、极化电场导致的结构相变、畴翻转动力学等基础性问题。这一突破，再一次展示了微结构物理在解决重大技术瓶颈和问题中的独特优势。相关的材料技术已经申报了国家专利，后续的研究正在展开。
该论文的第一作者是材料系硕士生张骥，通讯作者是张善涛教授和北京科技大学的陈骏教授。该工作由bw必威西汉姆联官网、北京科技大学、哈尔滨工业大学、英国伦敦大学玛丽女王学院(Queen Mary University of London)、德国达姆施塔特工业大学(Technische Universität Darmstadt)和美国宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)合作完成。项目得到了国家自然科学基金和科技部国家重点基础研究发展计划、教育部协同创新计划的支持。
图1：0-3型复合材料的微结构特征
图2：复合结构抑制Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷退极化的机制示意图。(a),(b)未引入ZnO时，在退极化温度附近，撤除极化电场后，退极化场使得Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷迅速退极化。(c),(d)引入ZnO后，极化电场导致ZnO的电荷有序分布于Bi0.5Na0.5TiO3基材料的晶界处，形成一个局域电场，此电场能够抑制Bi0.5Na0.5TiO3基材料晶粒中的退极化场，从而抑制甚至消除退极化。
