压电陶瓷质料可实现电能与机械能的相互转换，是信息通信、生物医疗、兵工国防等领域中焦点器件的要害质料。高性能情况友爱型无铅压电陶瓷是国际上功效质料的主要科学前沿及技术竞争焦点之一。今朝，以铌酸钾钠（KNN）系统为代表的无铅压电陶瓷的压电常数（d33）已经经可以媲美含铅压电陶瓷，并于超声雾化、水声换能等领域慢慢替换传统铅基压电陶瓷。只管云云，人们对于无铅压电陶瓷压电相应增强的物理机制仍旧熟悉有限，严峻限定了其功效特征的进一步骤控。此外，于年夜功率事情前提下，质料的介电、压电及弹性性能参数往往遭到非线性相应的限定，器件性能也易受高频机械损耗引起的发烧所限定。是以，怎样协同提高无铅压电陶瓷的机械品质因数（Qm）与d33是其面向年夜功率现实运用的主要科学挑战。

为分析KNN基无铅压电陶瓷优秀压电相应的来历，清华年夜学质料学院王轲研究员等与海内外相助，经由历程邃密的身分调控设计并制备了一系列组分位在正交-四方相界四周的KNN陶瓷。用高能原位变电场同步辐射、高分辩透射电子显微镜等表征手腕，体系研究了高性能KNN质料的本征相结构以和质料于原位电场下的结构-性能瓜葛。研究注解，质料优秀的电机耦合相应不仅与正交-四方的铁电两相共存结构有关，更与该能量相近的两相于电场的扰动下发生可逆相改变慎密相干。相变引诱的猛烈体积变化，于{200}晶体学标的目的上孝敬了高达1250 pm/V的等效压电常数，该场致相变是质料泛起优秀压电性能的主要缘故原由。这项事情展现了除了晶格应变及铁电畴翻起色制以外的一种全新机制，对于提高压电质料的电机耦合性能，进一步骤控钙钛矿质料的功效特征有主要引导意义。

图1. 原位同步辐射表征展现无铅压电陶瓷高压电相应物理机制：场致相变引发的体积变化孝敬特殊晶体学标的目的上的超高应变

上述结果以“(K,Na)NbO3基压电陶瓷中相变引发超高压电相应的起源”（Deciphering the phase transition-induced ultrahigh piezoresponse in (K,Na)NbO3-based piezoceramics）为题，近日发表于国际知名期刊《天然·通信》（Nature Co妹妹unications）上。清华年夜学质料学院硕士卒业生张茂华（2022年5月获德国达姆施塔特工业年夜学博士学位）为文章的第一作者。清华年夜学王轲研究员、西安交通年夜学张楠教授、西南平易近族年夜学吴波副教授亚洲必赢24小时客服-为文章的配合通信作者。论文的主要相助者另有包罗清华年夜学李敬锋教授，达姆施塔特工业年夜学尤尔根?罗德尔（Jürgen R?del）教授、张洪彬教授，卡尔斯鲁厄理工学院曼努埃尔?欣特施泰因博士（Manuel Hinterstein）等。

另外一方面，受制在压电质料Qm与d?33此消彼长的制约瓜葛，KNN陶瓷的年夜功率输出一直难以有用提高。为此，研究团队提出了使用调治氧空位浓度协同优化压电陶瓷各项优值参数的新战略，乐成实现了于d33险些连结稳定的基础上Qm晋升60%以上。高分辩透射电镜原子像注解，氧空位会引起晶格畸变与应力掉配，可于连结本征压电孝敬的同时按捺畴壁运动，从而有用均衡压电质料的Qm与d?33。此外，该要领不引入受主离子，故而消弭了受主掺杂改性要领中缺陷偶极子翻转带来的本征损耗。基在脉冲驱动法的年夜功率测试结果显示，颠末氧空位优化的KNN陶瓷，其Qm于年夜功率工况下的服役稳定性较着优在今朝报导的同类质料。这项研究为今后功效质料的缺陷设计及性能调控提供了新的思绪，于水声探测、进步前辈制造、康健医疗等领域有着主要的运用价值。

图2. 摸索提高无铅压电陶瓷年夜功率输出新路子：KNN陶瓷的氧空位缺陷设计与电学性能协同调控

上述结果以“无铅压电质料单一氧空位硬化”（Isolated-Oxygen-Vacancy Hardening in Lead-Free Piezoelectrics）为题，发表于国际知名期刊《进步前辈质料》（Advanced Materials）上。清华年夜学质料学院2017级博士生刘亦轩（已经在2022年6月获博士学位）为文章的第一作者。清华年夜学李敬锋教授、王轲研究员以和北京年夜学口腔病院韩冰教授为文章的配合通信作者。论文的主要相助者另有包罗西安交通年夜学武水师教授、中国工程物理研究院研究生院徐贲副研究员以和乌镇试验室的龚文博士等。

以上两项事情均获得了国家天然基金委科学中央项目、重点项目，以和科技部国家重点研发计划等项目的撑持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31158-x

https://doi.org/10.1002/adma.202202558

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