壓電致動器可以將電信號直接轉(zhuǎn)換為機械應變，具有位移準確、體積小、響應速度快、功耗低等優(yōu)點，已廣泛應用于精密光學儀器、微電子機械系統(tǒng)和機器人等領(lǐng)域。目前，鉛基壓電陶瓷仍然是商用壓電致動器的首選材料，但含鉛材料的使用也帶來了越來越多的環(huán)境和健康問題。因此，開發(fā)高性能的無鉛壓電陶瓷勢在必行。BiFeO₃-BaTiO₃(BF-BT)陶瓷具有高居里溫度，良好的鐵電與壓電性能，是壓電致動器向無鉛化和高溫化發(fā)展的理想材料之一。然而，和其他無鉛壓電陶瓷體系類似，BF-BT陶瓷的壓電性能相比于鉛基陶瓷體系仍然存在較大差距。

為了改善無鉛陶瓷的電致應變性能，研究人員采用了多種策略，包括微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化、相界工程、局部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性/極性納米微區(qū)、缺陷偶極子工程等。其中，缺陷偶極子工程近年來在提高鈮酸鈉鉀（KNN）、鈦酸鉍鈉（BNT）等無鉛壓電陶瓷電致應變性能方面取得了重大突破。但是，關(guān)于BF-BT壓電陶瓷中缺陷偶極子調(diào)控的研究相對較少，其內(nèi)部偏置場的形成機制及其對電致應變性能的影響規(guī)律尚不清楚。

浙江大學材料學院吳勇軍/黃玉輝團隊利用兩步法制備了因Bi揮發(fā)和Fe變價而含有和缺陷偶極子的0.67Bi_1.05FeO₃-0.33BaTiO₃(67BF-33BT)陶瓷，并通過多次極化–老化處理在樣品內(nèi)形成較大的內(nèi)部偏置場，內(nèi)部偏置場的存在使得67BF-33BT陶瓷在不同電場方向的極化翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出各向異性，陶瓷表現(xiàn)出不對稱的電學性能。在低電場(20 kV cm^-1)作用下，67BF-33BT陶瓷表現(xiàn)出大應變(s=0.21%)和優(yōu)異壓電性能(d₃₃^*=1033.70 pm V^-1)。團隊還系統(tǒng)研究了內(nèi)部偏置場和非對稱電學性能隨外加電場和溫度的變化規(guī)律，提出了67BF-33BT陶瓷中的內(nèi)部偏置場由兩部分貢獻，一部分來自補償退極化場的自由電荷，另一部分則源于高度取向的缺陷偶極子。內(nèi)部偏置場隨高外加電場和高溫而減小，非對稱的S-E曲線逐漸變得對稱。本研究探討了BF-BT陶瓷中內(nèi)部偏置場的形成機制，展示了缺陷偶極子提高BF-BT陶瓷電致應變性能的巨大潛力，為開發(fā)高性能無鉛壓電陶瓷致動器提供了一種可行的策略。

相關(guān)成果以“Ultrahigh Piezoelectric Response Obtained by Artificially Generating a Large Internal Bias Field in BiFeO₃-BaTiO₃ Lead-Free Ceramics”為題，發(fā)表在材料科學領(lǐng)域著名學術(shù)期刊Advanced Functional Materials上。吳勇軍教授、黃玉輝副教授為通訊作者，博士生林珈民為第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費等項目的資助。

【圖文解析】

圖1. 未極化和極化–老化的67BF-33BT陶瓷在不同電場下電學性能的綜合比較。a) 未極化和b) 極化–老化的67BF-33BT陶瓷的P–E曲線。c) 未極化和極化–老化的67BF-33BT陶瓷內(nèi)部偏置場的比較。d) 未極化和極化–老化的67BF-33BT陶瓷的雙極S–E曲線。e) 未極化和極化–老化的67BF-33BT陶瓷中雙極應變對應的壓電系數(shù)d₃₃^*。

圖2. 極化–老化的67BF-33BT陶瓷中內(nèi)部偏置場發(fā)展及其導致的不對稱電學性能的潛在機制。a) 具有復雜的多晶多疇的未極化67BF-33BT陶瓷示意圖。b) 由自由電荷補償退極化場而產(chǎn)生的E_i1。c)具有定向自發(fā)極化和隨機取向的缺陷偶極子的極化67BF-33BT陶瓷。d, e) 老化后形成取向的和缺陷偶極子而產(chǎn)生的E_i2。f, g) 缺陷偶極子和自發(fā)極化在低電場下對雙極應變的貢獻。h) 20 kV cm^-1的實驗結(jié)果。i, j) 缺陷偶極子和自發(fā)極化在高電場下對雙極應變的貢獻。k) 40 kV cm^-1的實驗結(jié)果。

圖4. 極化–老化的67BF-33BT陶瓷在不同電場(25-40 kV cm^-1)和溫度(RT至180°C)下雙極應變的變化。a) 25 kV cm^-1，b) 30 kV cm^-1，c) 35 kV cm^-1，d) 40 kV cm^-1的雙極S–E曲線。