微结构凝聚态物理与材料取得新的进展 ——0-3型微结构材料解决了长期困扰Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电材料中的退极化问题

发布者:系统管理员发布时间:2015-04-15浏览次数:90

我校固体微结构物理国家重点实验室和现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、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”319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。该工作由南京大学、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。

 

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图1:0-3型复合材料的微结构特征

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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。