我國學者提出無鉛壓電陶瓷電致應變新機制

圖 (a) KNN陶瓷應變響應與厚度的獨特依賴關系；(b) 氧空位在壓電陶瓷中的非均勻分布；(c) 壓電材料中氧空位在電場下的躍遷行為；(d) 本工作與其他鈣鈦礦型壓電材料的電致應變性能對比

　　在國家自然科學基金項目（批準號：52388201、52032005）等資助下，清華大學王軻研究員與合作者在無鉛壓電陶瓷電致應變響應機制方面取得進展。相關研究成果以“化學壓電效應誘導無鉛壓電陶瓷高電致應變（High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect）”為題，于2025年2月26日在線發表于《自然·材料》（Nature Materials），論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02092-8。現任國際鐵電學會主席、洛桑聯邦理工學院名譽教授Dragan Damjanovic在同期評述中給予高度評價，認為該研究是“鐵電材料中理解和利用缺陷誘導電致應變的關鍵一步”。

　　壓電驅動器憑借快速響應和高精度位移特性在全球市場中占據重要地位，其核心性能指標——電致應變尤為關鍵。然而，無鉛壓電陶瓷的電致應變普遍低于1%，成為制約其在驅動領域應用突破的主要瓶頸。

　　王軻研究員團隊通過調控非對稱分布氧空位缺陷的躍遷行為，在鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷中成功誘導出高達1.9%的電致應變（壓電常數超過6300 pm/V），相較于傳統方法制備的KNN陶瓷應變提升了近50倍。研究團隊綜合利用同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發射光譜、分子動力學計算以及相場模擬等多種先進表征與分析手段，揭示了氧空位的非均勻分布與短程躍遷在高電致應變響應中的關鍵作用：氧空位在電場作用下的非均勻分布可引起材料表面晶胞體積的顯著變化，從而誘導電致應變的巨大提升。研究團隊創新性地提出“化學壓電效應（Chemopiezoelectric effect）”這一概念，用以描述壓電材料中本征壓電效應、鐵電疇翻轉、電致伸縮以及氧空位短程躍遷共同作用下的復雜電致應變響應行為。

　　本研究不僅揭示了壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布特征及其短程躍遷機制，還深入闡明了缺陷狀態與材料性能的構效關系。該材料展現出優異的頻率穩定性、溫度穩定性和抗疲勞特性，這表明其在多層驅動器領域具有廣闊的應用前景，有望為高性能壓電驅動技術的發展提供重要的理論支撐與材料基礎。