压电材料研究最新进展

研究背景

压电材料作为将电信号转化为机械位移的关键功能材料，在医疗超声、精密驱动、传感器以及能量收集等领域具有广泛应用。然而，传统压电材料常常需要较高的驱动电场，而且单晶材料虽然性能优异，但由于制备工艺复杂、成本高昂以及各向异性强等因素，实际应用受到限制。近年来，基于钛酸铅的弛豫型铁电陶瓷因其低驱动电场下可实现较高应变而备受关注。特别是在近乎临界的形态相界（MPB）附近，材料往往表现出极其敏感的极化和结构畸变，催生出低电场诱导的相变现象。基于这一背景，如何在低电场下实现超高应变、同时兼顾大规模制备和成本优势，成为当前材料领域亟待解决的重要课题。

成果简介

在本研究中，作者以铒（Er）掺杂的铅镁铌酸钛（PMNPT）陶瓷为研究对象，通过精心调控组成与厚度，在仅 2 kV/mm 的电场作用下，该陶瓷了展现出高达3.19%的双极应变以及0.8%的单极应变。这一优异的应变性能使得其大信号压电系数d₃₃^*分别达到了15,950 pm/V和4,014 pm/V，远超传统压电陶瓷材料。研究通过原位X光射线和高分辨中子衍射等表征手段，系统分析了材料的晶体结构及其温度和电场依赖性，揭示了其独特的低能量相变机理：在外加电场作用下，材料中的四方相与正交相之间实现了低电场诱导的可逆转变，同时伴随着极化旋转与局部结构的显著重排。透射电子显微镜（TEM）和压电力显微镜（PFM）的分析进一步显示，材料内部存在尺寸仅为3–5 nm的极化纳米区域（PNRs），这些微结构对外加电场高度敏感，起到了快速响应并促进超高应变的作用。此外，研究还发现样品厚度与应变性能存在密切关联，较薄的样品由于表面效应和机械约束减弱，能实现更高的总应变。通过多种实验和理论分析，该工作不仅树立了低电场驱动下超高应变材料的标杆，也为进一步探索压电性能与结构演化之间的内在联系提供了新的视角。

相关成果以“Phase transformation in lead titanate based relaxor ferroelectrics with ultra-high strain”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。英国玛丽女王大学博士后张航风为论文第一作者，郝阳教授、Isaac Abrahams教授、晏海学教授、苏磊教授为论文共同通讯作者。

图3，高分辨率中子衍射下的晶体结构精密解析。

图4，Er_0.025Pb_0.9625(Mg_0.33Nb_0.67)_0.7Ti_0.3O₃陶瓷的微观局部结构分析。

小结

本研究成功开发了一种基于Er掺杂PMNPT陶瓷的新型压电材料，在低驱动电场下实现了前所未有的高应变性能。研究揭示了低电场诱导相变、极化旋转、厚度效应以及极化纳米区域在提升应变能力中的关键作用，突破了传统压电材料高电场驱动的瓶颈。与此同时，该材料制备工艺简单、成本较低，具备大规模工业化生产的潜力。未来，借助这一突破性成果，相关材料有望在医疗、精密驱动、柔性电子和新能源等领域得到广泛应用，为实现更高效、低功耗和高稳定性的智能器件提供新的技术支撑。

论文信息：

Zhang, H.; Li, Z.; Wang, Y.; Fortes, A. D.; Saunders, T. G.; Hao, Y.; Abrahams, I.; Yan, H.; Su, L. Phase Transformation in Lead Titanate Based Relaxor Ferroelectrics with Ultra-High Strain. Nat. Commun. 2025, 16 (1), 1720. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56920-9.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56920-9