壓電致動(dòng)器可以將電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械應(yīng)變，具有位移準(zhǔn)確、體積小、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)儀器、微電子機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)器人等領(lǐng)域。目前，鉛基壓電陶瓷仍然是商用壓電致動(dòng)器的首選材料，但含鉛材料的使用也帶來(lái)了越來(lái)越多的環(huán)境和健康問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高性能的無(wú)鉛壓電陶瓷勢(shì)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(dòng)器向無(wú)鉛化和高溫化發(fā)展的理想材料之一。然而，和其他無(wú)鉛壓電陶瓷體系類(lèi)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(wú)鉛陶瓷的電致應(yīng)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(lái)在提高鈮酸鈉鉀（KNN）、鈦酸鉍鈉（BNT）等無(wú)鉛壓電陶瓷電致應(yīng)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(duì)較少，其內(nèi)部偏置場(chǎng)的形成機(jī)制及其對(duì)電致應(yīng)變性能的影響規(guī)律尚不清楚。

浙江大學(xué)材料學(xué)院吳勇軍/黃玉輝團(tuán)隊(duì)利用兩步法制備了因Bi揮發(fā)和Fe變價(jià)而含有和缺陷偶極子的0.67Bi_1.05FeO₃-0.33BaTiO₃(67BF-33BT)陶瓷，并通過(guò)多次極化–老化處理在樣品內(nèi)形成較大的內(nèi)部偏置場(chǎng)，內(nèi)部偏置場(chǎng)的存在使得67BF-33BT陶瓷在不同電場(chǎng)方向的極化翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出各向異性，陶瓷表現(xiàn)出不對(duì)稱的電學(xué)性能。在低電場(chǎng)(20 kV cm^-1)作用下，67BF-33BT陶瓷表現(xiàn)出大應(yīng)變(s=0.21%)和優(yōu)異壓電性能(d₃₃^*=1033.70 pm V^-1)。團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)研究了內(nèi)部偏置場(chǎng)和非對(duì)稱電學(xué)性能隨外加電場(chǎng)和溫度的變化規(guī)律，提出了67BF-33BT陶瓷中的內(nèi)部偏置場(chǎng)由兩部分貢獻(xiàn)，一部分來(lái)自補(bǔ)償退極化場(chǎng)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(chǎng)隨高外加電場(chǎng)和高溫而減小，非對(duì)稱的S-E曲線逐漸變得對(duì)稱。本研究探討了BF-BT陶瓷中內(nèi)部偏置場(chǎng)的形成機(jī)制，展示了缺陷偶極子提高BF-BT陶瓷電致應(yīng)變性能的巨大潛力，為開(kāi)發(fā)高性能無(wú)鉛壓電陶瓷致動(dòng)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(xué)領(lǐng)域著名學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)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(chǎng)下電學(xué)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(chǎng)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(yīng)變對(duì)應(yīng)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(chǎng)發(fā)展及其導(dǎo)致的不對(duì)稱電學(xué)性能的潛在機(jī)制。a) 具有復(fù)雜的多晶多疇的未極化67BF-33BT陶瓷示意圖。b) 由自由電荷補(bǔ)償退極化場(chǎng)而產(chǎn)生的E_i1。c)具有定向自發(fā)極化和隨機(jī)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(chǎng)下對(duì)雙極應(yīng)變的貢獻(xiàn)。h) 20 kV cm^-1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。i, j) 缺陷偶極子和自發(fā)極化在高電場(chǎng)下對(duì)雙極應(yīng)變的貢獻(xiàn)。k) 40 kV cm^-1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4. 極化–老化的67BF-33BT陶瓷在不同電場(chǎng)(25-40 kV cm^-1)和溫度(RT至180°C)下雙極應(yīng)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。