灵敏度超单晶50%的新型织构压电陶瓷
以钛酸铅（PT）为基础的铁电陶瓷，因其在所有压电材料中拥有最高的压电电荷系数（d₃₃）和机电耦合系数（k₃₃），已成为医疗超声成像、精密致动器和集成电路芯片散热风扇等众多压电器件的核心元件。现代应用对分辨率、功率和精度的不懈追求，呼唤着具有更高d₃₃和k₃₃值的压电材料。织构压电陶瓷（即具有择优晶粒取向的陶瓷）被视为一条极具前景的路径。它能利用晶体各向异性，突破传统随机取向陶瓷的性能限制，并能与“软”掺杂、准同型相界（MPB）设计等手段相结合，进一步提升性能。更重要的是，与单晶相比，织构陶瓷可通过固相反应法制备，避免了成分偏析，并具备成本低、可制成大尺寸和异形元件等工程优势。然而，经过二十多年的努力，PT基织构陶瓷的压电性能始终远未达到其理论潜力。例如，在经典的PMN-PT体系中，织构陶瓷的最高d₃₃仅约为单晶值的50-60%。这一持续存在的差距源于织构陶瓷固有的微观结构特征，如低压电活性的晶界、不完整的晶粒取向以及晶界对畴尺寸的限制。传统的试错法难以高效地筛选广阔的织构陶瓷组分空间，成为制约其发展的瓶颈。
针对对上述挑战，西安交通大学的李飞教授、李景雷教授、武海军教授，杨帅研究员以及香港城市大学张树君教授等研究人员组成的团队利用机器学习策略，在Sm掺杂的Pb(In₁/₂Nb₁/₂)O₃-Pb(Sc₁/₂Nb₁/₂)O₃-PbTiO₃（PIN-PSN-PT）固溶体体系中，成功开发出性能卓越的织构压电陶瓷。该材料不仅实现了1720 pC N⁻¹的超高压电系数（d₃₃）和250°C的居里温度（TC），其综合性能甚至超越目前最先进的压电单晶，同时还展现出比单晶高30-50%的机械强度。通过原位X射线衍射和Rayleigh分析表明，其优异的压电性主要源于本征晶格畸变，而非畴壁运动。基于这种新型织构陶瓷制造的压电加速度计，在灵敏度方面比单晶器件高出约50%，并具有显著优于单晶的稳定性和可靠性。相关成果以题为“Overcoming the performance ceiling of textured piezoelectric ceramics”发表在最新一期《Science》上。
组分与掺杂设计
研究团队将研究重点放在了PIN-PSN-PT体系上。他们首先利用一个包含289组d₃₃和TC数据的机器学习模型，对该体系的组分和掺杂剂进行了高效筛选。该模型以结构、电子和晶核性质为输入，预测了不同稀土元素（Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho）在不同浓度下对陶瓷性能的影响（图1A-D）。预测结果显示，离子半径较大的稀土元素（如Sm³⁺）倾向于占据A位，能有效增强压电性能，但同时会降低TC；而离子半径较小的元素（如Gd³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺）则倾向于进入B位，对TC影响小，但对压电性能提升帮助不大。综合比较d₃₃和T_C后，机器学习清晰地指出，Sm是提升压电性能最有效的元素，最佳掺杂浓度为1.5-2 mol%（图1E-F）。基于此，研究团队选定Sm掺杂的0.19PIN-0.43PSN-0.38PT组分进行深入研究。
图 1 | 基于PIN-PSN-PT固溶体的机器学习预测性质
制备与微观结构
研究者采用模板诱导晶粒生长（TGG）法制备了具有<001>取向的高质量织构陶瓷，其Lotgering因子（F₀₀₁）高达99%以上，相对密度超过95%。通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）确认了大部分晶粒沿<001>方向取向，与未处理样品形成鲜明对比（图2A-B）。透射电子显微镜（TEM）观察发现，织构陶瓷的畴宽度（20-80 nm）比未织构样品更小（图2C-D）。原子分辨率的扫描透射电子显微镜高角环形暗场（STEM-HAADF）成像（图2E-F）揭示了材料中显著的局部结构异质性，其局域对称性远低于宏观X射线衍射（XRD）确定的菱方相。特别是在模板-基体界面附近，存在更高的四方相极性矢量比例和更大的晶格参数波动，这是由晶格失配引起的局域应力所致，但原子排列仍保持高度有序。
图 2 | 1.5mol%钐掺杂的0.19PIN-0.43PSN-0.38PT定向陶瓷的微观结构
机电性能
该Sm掺杂织构陶瓷的机电性能令人瞩目。通过Berlincourt法、电场致应变法和阻抗法测得的d₃₃值一致，均为1720 pC N⁻¹左右（图3A-B）。这一数值不仅在同类TC（>200°C）陶瓷中处于领先地位，甚至可与TC相似的PT基单晶相媲美（图3C-D）。尤为重要的是，其电场致应变高达0.75%（30 kV cm⁻¹下），是商用PZT陶瓷的三倍多，比PMN-PT单晶还高出约40%（图3E）。该高应变主要归因于其更高的自发极化强度（Ps）和电致伸缩系数（Q₃₃）。同时，织构陶瓷的矫顽场（EC）高达5.8 kV cm⁻¹，远高于PMN-PT单晶的2.7 kV cm⁻¹（图3F），使其更适用于高功率、高电压应用。
图 3 | 掺钐0.19PIN-0.43PSN-0.38PT（1.5Sm-PIN-PSN-PT）取向陶瓷的机电性能
机械鲁棒性与温度稳定性
除了卓越的压电性能，该新型织构陶瓷还展现出远超单晶的机械鲁棒性。其压缩强度（489 ± 28 MPa）和弯曲强度（80 ± 5 MPa）分别比PMN-PT单晶高出30-50%（图3G-I），这归因于晶界对裂纹扩展的阻碍作用。在温度稳定性方面，该陶瓷的菱方-四方相变温度（TRT）和居里温度（TC）分别为约115°C和250°C（图3J）。其d₃₃随温度升高而增加直至TRT，这反映了接近相变时吉布斯自由能势垒的平坦化（图3K）。电场致应变也从室温到100°C保持增长趋势（图3L），显示出良好的温度稳定性。
高压电性起源分析
为揭示其高压电性的起源，研究团队进行了系统性分析。原位XRD实验表明，在30 kV cm⁻¹电场下，晶格应变占总应变的约84%（图4A），证明了压电响应主要源于本征晶格畸变。Rayleigh分析进一步确认，在织构陶瓷中，来源于不可逆畴壁运动的外禀贡献仅占13-17%，远低于未织构陶瓷（25-32%）（图4B）。另一方面，低温介电测试表明，Sm掺杂显著增强了局域结构异质性（图4C-D），这有助于平坦化自由能势垒，从而促进本征晶格变形。因此，该材料的高性能是“Sm掺杂引入局域异质性以提升本征响应”与“高质量织构确保本征贡献沿<001>方向充分释放”两种机制协同作用的结果。
图 4 | 掺钐0.19PIN-0.43PSN-0.38PT定向陶瓷超高压电性的起源分析
器件验证
为验证其实用价值，研究者将新型织构陶瓷制成悬臂梁式矢量加速度计，并与单晶和PZT陶瓷加速度计进行对比（图5）。测试结果表明，织构陶瓷加速度计的灵敏度最高，比单晶器件高出约50%，比PZT器件高出约130%（图5B）。更重要的是，在大加速度激励下（>10g），单晶加速度计的灵敏度出现明显衰减，而织构陶瓷和PZT陶瓷加速度计的灵敏度则保持稳定（图5C）。在长达数十万次的疲劳测试中，单晶加速度计性能持续退化，而织构陶瓷加速度计未显示出任何明显的灵敏度下降（图5D）。这些结果有力地证明了该材料兼具单晶的高灵敏度与陶瓷的优异稳定性和可靠性。
图 5 | 基于PZT5H陶瓷、PIN-PMN-PT单晶和1.5Sm-PIN-PSN-PT定向陶瓷的悬臂式矢量加速度计的设计与性能
结论与展望
本研究通过结合机器学习的高效筛选与TGG工艺，成功开发出在压电性和居里温度上均可比拟甚至超越高性能单晶的Sm掺杂PIN-PSN-PT织构陶瓷，一举突破了织构压电陶瓷领域长达数十年的性能瓶颈。其卓越的压电性能、机械鲁棒性和成本效益的组合，使其成为先进机电应用，尤其是对性能、可靠性和成本均有严苛要求的3C（计算机、通信、消费电子）领域压电器件的理想候选材料。研究团队指出，这种机器学习加速的材料设计策略具备很强的普适性，可以轻松拓展至其他复杂的陶瓷体系，有望在未来探索出性能更为卓越的新型织构压电材料。
热门跟贴