近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶清華大學與北京理工大學、澳大利亞伍倫貢大學以及中國科學院合肥物質院強磁場中心等合作，借助SHMFF的電子自旋共振譜儀在無鉛壓電陶瓷研究領域取得重要進展。相關成果發表于Nature Materials。

壓電驅動器憑借其快速響應和高精度位移特性，在全球驅動器市場中占據重要地位。其性能的關鍵因素之一是壓電材料的電致應變優值。長期以來，壓電陶瓷材料的電致應變普遍低于1%。2022年，研究人員發現了一種經過特殊缺陷調控的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷，其室溫電致應變高達1.04%。此后，無鉛壓電陶瓷的高電致應變成為學界關注的焦點。近年來，具有非對稱電致應變響應的無鉛壓電陶瓷不斷刷新電致應變記錄，其背后的物理機制成為當前研究熱點。

清華大學材料學院及合作團隊以熱壓燒結并經退火處理的KNN陶瓷為研究對象，展示了電致應變響應與陶瓷材料厚度的特殊依賴關系，并實現了1.9%的超高電致應變（在室溫、3kV/mm、1Hz條件下，壓電常數超過6300pm/V），相比傳統KNN陶瓷提升了近50倍。通過多種原位測試表征手段，證實了該電致應變在面內分布較為均勻，且在小于3kV/mm的電場下，其主要貢獻并非幾何彎曲（如圖1所示）。隨著KNN陶瓷厚度降低，電致應變顯著增加，并表現出電場下的非對稱行為，這一現象也存在于其他壓電陶瓷體系中（如圖1）。

進一步研究中，團隊借助同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發射光譜、分子動力學以及相場模擬等方法，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（如圖2）。SHMFF中的電子自旋共振譜儀證實了氧空位與無鉛壓電陶瓷中高電致應變的關系。原位同步輻射X射線衍射與相場模擬結果表明，電場下非均勻分布的氧空位可引起樣品表面晶胞的顯著體積變化，從而導致較高的電致應變。基于此，研究團隊創新性提出了“化學壓電效應”（Chemopiezoelectric effect）新概念，用以描述壓電材料中線性壓電效應、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現象，該效應與氧空位濃度及其遷移能力密切相關，為新一代高性能壓電驅動器研發提供理論支撐。

該研究驗證了KNN壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布，闡釋了氧空位短程遷移機制，為壓電陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能關系提供了新的分析視角。此外，該KNN壓電陶瓷還展現出良好的頻率和溫度穩定性以及抗疲勞性能，具有通過疊層技術實現在壓電多層驅動器中應用的潛力，對智能材料、柔性電子、微納驅動等領域的研究具有重要指導意義。

清華大學徐澤博士和北京科技大學施小明博士為共同第一作者。清華大學劉亦軒博士、北京理工大學黃厚兵教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授、清華大學王軻研究員為共同通訊作者。其他重要合作者包括澳大利亞新南威爾士大學王丹陽教授、英國諾丁漢大學李明教授、帝國理工大學Stephen J. Skinner教授、哈爾濱工業大學田浩教授、清華大學湯浩正博士、強磁場中心陳峰研究員等。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。

圖1.?壓電陶瓷中電致應變的厚度依賴行為

圖2. KNN壓電陶瓷高電致應變的影響因素及機理分析