科研 | 我校科研团队成功研发新型无铅反铁电陶瓷材料

近日，我校材料科学与工程学院左如忠教授及其科研团队，通过掺杂改性及固相合成技术，成功制备出一种具有稳定反铁电相结构的铌酸钠（NaNbO3，NN）基无铅陶瓷材料,该材料在电场周期中呈现出重复可利用的反铁电相到铁电相的相变特性、典型双电滞回线特征的极化-电场（P-E）曲线以及完全无负应变的豆芽状应变-电场（S-E）曲线。

论文相关链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.056

http://ceramics.hfut.edu.cn/2018/0523/c5063a164439/page.htm

图1. NN基反铁电陶瓷的显微形貌、介电和铁电性能

该研究成果对稳定NN陶瓷反铁电性的机理及其技术路径提出新的思路，在解决NN陶瓷反铁电性难以利用这一技术和科学难题上迈出重要一步，有望推动NN基无铅反铁电陶瓷材料在大位移驱动器、能量存储等技术领域的应用。相关成果近期发表在国际著名学术期刊《Acta Materialia》上（Vol. 161, 352-9, 2018）。论文的合作者为付健副教授和祁核博士。

反铁电材料中相邻的两个子晶格极化强度相等而极性相反，因而宏观上不呈现净电偶极矩。在电场作用下反铁电相会被诱发为铁电有序相。伴随着相变过程，晶胞体积和极化强度均快速增加，因而反铁电材料在大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等领域具有非常大的应用潜力。NN是一种备受关注的无铅反铁电材料，然而该陶瓷材料中的反铁电相的稳定性差，和具有正交结构的铁电相具有相似的自由能而常常在室温下共存，使其反铁电性在电场周期中难以重复利用。如何有效稳定NN基无铅陶瓷中的反铁电相结构，并深入理解其电致应变特性及其结构机理已成为了该领域的一个研究热点。

图2. NN基反铁电陶瓷的同步辐射X射线衍射数据

该研究团队采用传统固相合成技术，通过掺杂具有不同半径的钡、钙离子（锆酸盐），制备出稳定可调的无铅反铁电陶瓷材料。典型可逆的双电滞回线和可反复获得的无负应变的双极应变曲线表明该材料具有稳定的反铁电性质和优异的电场诱发的电致应变特性。借助透射电子显微镜和原位/非原位同步辐射X射线衍射技术从电畴形貌、空间对称性及其对电场响应的特征等方面深刻阐述反铁电性的特征和应变机制。

图3. NN基反铁电陶瓷的宏观电致应变

研究结果表明，容差因子较小的组元有助于稳定反铁电相，而容差因子较大的组元有助于稳定铁电有序相。在NN基无铅反铁电陶瓷中，宏观应变的特点是纵向应变为正值，而横向应变为负值，整个体积应变贡献为20%。这一发现挑战了人们对传统铅基反铁电陶瓷材料在纵横两个方向上的应变都为正值的传统认知。该研究有望推动了无铅反铁电材料领域的研究，并为未来无铅反铁电材料的进一步组成设计和结构研究奠定了理论和技术基础。

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文 | 祁核

图 | 付健

微信编辑 | 张琦