安徽大学李峰课题组——具有增强电致应变性能和热稳定性的 BiFeO3 基无铅陶瓷 | MDPI Nanomaterials

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文章导读

BiFeO₃ 基陶瓷具有高自发极化和高居里温度的优势，在无铅压电材料和驱动器领域得到广泛的研究，但其较低的电阻率、压电性和应变热稳定性阻碍其进一步发展。针对这一问题，安徽大学李峰课题组在 Nanomaterials 期刊上发表的文章，设计了 (1−x) (0.65BiFeO₃–0.35BaTiO₃)–xLa_0.5Na_0.5TiO₃ (BF–BT–xLNT, x=0~0.06) 这一体系。结果表明，LNT 的加入使压电性能显著提高，这一现象可归因于菱方相和伪立方相共存产生的相界效应。压电性能的最佳组分出现在 x=0.02 处 (d₃₃=97 pC/N, d^*₃₃=303 pm/V)。与此同时，材料基体的漏导性能也得到改善。另外，在 25~180 °C 的温度范围内，x=0.04 组分表现出良好的应变的热稳定性 (最大波动值 η=31%)，这被认为是弛豫体的应变的负温度依赖性与铁电基体对应变的正温度依赖性的协同作用所产生的。本工作为设计高温压电和应变热稳定的陶瓷材料提供了思路。

主要内容

图 1 为 BF–BT–xLNT 陶瓷的 XRD 图谱，所有组分都表现出钙钛矿结构且无第二相存在。根据 XRD 相结构，作者选择 R3cH (R) 和 Pm3 ̅m (Pc) 空间群进行精修。x=0 组分在 38.8° 处较宽的 (111) 衍射峰的存在证明 R 相的存在。随着 LNT 含量的增加，(111) 峰变得窄而尖锐，说明 R 相逐渐被 Pc 相取代，最终在 x=0.05 时变为单一的 Pc 相。

图 1. (a~g) BF–BT–xLNT 陶瓷的 XRD 精修；(h) R3cH (R) 和 Pm3 ̅m (Pc) 的相含量变化；(i) R 相和 Pc 相的晶胞参数随 LNT 含量的变化。

为确定 BF–BT–xLNT 陶瓷的电阻率和传导机理，作者测试了 280~380 °C 范围内的复阻抗图谱，如图 2 (a~g) 所示。所有组分都表现出单一的半圆复阻抗形状。由图可知，LNT 的加入显著增大了 BF–BT 基体的体电阻 (R_b) 并在 x=0.02 处达到峰值，表明 LNT 的加入起到了降低漏电流的作用。

图 2. (a~g) BF–BT–xLNT (x=0~0.06) 陶瓷在 280~380 °C 温度范围内的复阻抗图；(h) x=0~0.06 样品在 280 °C 下的复阻抗谱；(i) lnσ~(1000/T) 的图像，插图显示了 E_a 和 R_b 随 LNT 含量的变化。

图 3 展示了 BF–BT–LNT 陶瓷的 P–E、J–E 和 S–E 曲线的变化规律。LNT 的加入实现了由铁电到弛豫的转变。当 x≤0.03 时，其表现为蝴蝶形的双极 S–E 曲线，随着 LNT 的增加，负应变逐渐减少，压电性能降低。最佳的压电性能在 x=0.02 处获得，此时 d₃₃ 和 d^*₃₃ 达到峰值 (d₃₃=97 pC/N, d^*₃₃=303 pm/V)。适当比例的 R 和 Pc 相共存产生的相界效应会增强压电性能，LNT 过量则会使压电性受抑制。

图 3. (a) BF–BT–xLNT (x=0~0.06) 陶瓷室温下的 P–E，插图为相对应的 J–E；(b) J–E 回线对应的等高图；(c) P_m、P_r 和 E_c 随 LNT 含量的变化；(d) 双极和 (e) 单极 S–E 曲线；(f) S_pos、S_neg、d^*₃₃ 和 d₃₃ 随 LNT 含量的变化。

图 4 显示了 BF–BT–xLNT 陶瓷在 25~180 °C 范围内的单极 S–E 曲线。由于热效应激活畴翻转与热扰乱的共同作用，x=0.04 组分在较宽温度范围内表现出良好的温度稳定性：

与其他体系相比具有一定优势。

图 4. (a~g) BF–BT–xLNT 陶瓷在 25~180 °C 范围内的单极 S–E 曲线 (E=60 kV/cm)；(h) 单极 S–E 曲线随温度的演变规律；(i) 将本工作的电致应变热稳定性与其他体系进行比较。

图 5 显示了 x=0、0.03 和 0.06 组分的 PFM 振幅及其相位图像。x=0 和 0.03 组分具有更大面积的明亮区域，说明具有更高的压电性能。x=0 和 0.03 组分的相位图中可观察到带状的长程有序畴，而在 x=0.03 和 0.06 的暗区域观察到薄条状的短程有序纳米畴。大尺寸的宏观畴与纳米畴混合对压电效应有积极的影响，而纳米畴浓度的增加有利于提高应变的温度稳定性。

图 5. x=0、0.03 和 0.06 组分的 PFM (a~c) 振幅和 (d~f) 相位图像。

文章总结

为了获得具有高压电性能和高温度稳定性的应变特性，本工作结合弛豫体 LNT 的负温度稳定性和 BF–BT 铁电基体的正温度稳定性，设计了 BF–BT–xLNT 体系。LNT 的加入实现了由菱方相 (R) 到伪立方相 (Pc) 的转变并增强了压电性能。由于 R 相和 Pc 相共存产生的相界效应，在 x=0.02 处获得最佳的压电性能 (d₃₃=97 pC/N, d^*₃₃=303 pm/V)。此外，x=0.04 组分在 25~180 °C 的宽温区内表现出良好的应变热稳定性 (最大波动值 η=31%)。

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原文出自 Nanomaterials 期刊

Shi, H.; Li, K.; Li, F.; Ma, J.; Tu, Y.; Long, M.; Lu, Y.; Gong, W.; Wang, C.; Shan, L. Enhanced Piezoelectricity and Thermal Stability of Electrostrain Performance in BiFeO₃-Based Lead-Free Ceramics. Nanomaterials 2023, 13, 942.

   Nanomaterials 期刊介绍

主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2021 Impact Factor	5.719
2021 CiteScore	6.6
Time to First Decision	12.7 Days
Time to Publication	33 Days

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*本文内容由原文作者汪春昌负责撰写，详细内容请以英文原版为准。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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