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研究背景

具有可回复电致应变的功能材料在数字位移换能器和省能驱动器领域有着重要的应用前景。近期，西安工业大学和西安交通大学合作在大应变无铅压电单晶方面取得重要进展。团队利用助熔剂法，成功生长出了非遍历/遍历相界附近的(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-0.03(K0.5Na0.5)NbO3（BNT-6BT-3KNN）单晶。利用电场驱动的准立方-四方可逆相变，获得了超过0.91%的超高可回复应变，为BNT基单晶的实用化提供了重要科学基础。

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论文摘要

西安工业大学魏永星副教授团队联合西安交通大学靳立教授团队合作，首次采用助熔剂法成功生长出大尺寸的BNT-6BT-3KNN单晶。单晶表现出明显的双电滞回线，最大极化强度约为64.6 μC/cm2，并且在20 kV/cm的最大电场下表现出0.91%的电致应变和4550 pm/V的逆压电系数，性能优于采用顶部籽晶法和固相转化法生长的同类单晶。结合透射电子显微镜和压电力显微镜分析，确认了在电场作用下，存在从短程极性纳米微区到长程铁电畴的转变。研究成果为无铅压电材料的应用和发展提供了新的方向，相关论文以“ Ultra-high electrostrain in flux-grown (Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO30.03(K0.5Na0.5)NbO3single crystals around the nonergodic/ergodic crossover region”为题发表在 a Materialia期刊上。西安工业大学魏永星副教授和西安交通大学靳立教授为该论文的共同通讯作者。

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主要研究内容

图1. BNT-6BT-xKNN的电学行为和极性状态演变示意图。在成分驱动的非遍历/遍历相界附近，可表现出超高可回复电致应变。

图2. BNT-6BT-3KNN单晶照片及晶体结构。单晶最大尺寸为12×11×8 mm3，晶体的生长面为{100}c。该单晶室温下表现出准立方相，在局域范围表现出R3c和P4bm相的共存。

图3 BNT-6BT-3KNN室温下的双极强场极化响应、应变响应及畴结构。室温下，电致应变达到0.91%，逆压电系数为4550 pm/V，是PMN-PT单晶的4倍，电场的作用下，存在由极性纳米微区到长程铁电畴的转变。

图4 BNT-6BT-3KNN单晶介电行为、强场极化响应、电致应变响应与温度的关系。

图5 BNT-6BT-3KNN单晶的相图。

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团队介绍

魏永星，西安工业大学材料与化工学院副教授，博士生导师。于2014年在西安交通大学获得材料与科学工程博士学位，从事先进电子材料与器件研究工作，聚焦液相法生长钙钛矿单晶技术、铁电压电材料相界行为、基于MLCC的高介材料配方设计与粉体工艺、弛豫体和反铁电体储能特性等研究方向，主持国家自然科学基金、装备发展部预研项目等多项国家级项目，在J. Eur. Ceram. Soc., J. Am. Ceram. Soc., Scr. Mater., J. Power Sources, J. Mater. Sci. Technol., Chem. Eng. J.等期刊发表论文40余篇，单篇最高被引194次，申请/授权专利10余项，获陕西省自然科学奖二等奖1项，获陕西省高安科学技术奖二等奖2项，1篇论文入选J. Am. Ceram. Soc.杂志论文奖励，1项粉末衍射数据及相关晶体学信息获ICDD数据库收录。目前担任国际学术期刊Journal of Advanced Dielectrics青年编委。

靳立，西安交通大学教授，博士生导师，国家级青年人才项目获得者。主要从事电子功能材料与器件的应用基础研究，重点关注铁电陶瓷材料极化调控与电致应变和储能性能构筑，及其在驱动器与能量存储电容器等领域的应用。主持国家、省部级等科研课题多项，包括国家自然科学基金、科技部重点研发、国际合作等项目。已经在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Acta Mater., Nano Energy, Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. B, J. Mater. Chem. A, J. Mater. Sci. Technol., Chem. Eng. J.等国际学术期刊上发表SCI收录论文160余篇，被国内外多个著名研究机构引用12000余次，单篇最高引用1065次，H因子54。1篇论文入选2014年度“中国百篇最具影响国际学术论文”，2篇论文获中国硅酸盐学会“Journal of Materiomics高影响力论文”。申请和授权国家发明专利12项。2020 年起任国际学术期刊Journal of Advanced Dielectrics期刊编委，2023年起任国际学术期刊 Journal of Materiomics 青年编委。获2014年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖，2020年度陕西高等学校科学技术奖一等奖，2021年度陕西省电子学会科学技术奖自然科学奖一等奖，和2022年度陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等奖。

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文章信息

来源：JAD电介质学术交流

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