清華新聞網(wǎng)9月30日電 壓電材料具有力電轉(zhuǎn)換功能，在傳感器和驅(qū)動(dòng)器中具有廣泛的應(yīng)用。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，高性能壓電薄膜材料受到廣泛關(guān)注。然而，薄膜材料的性能仍顯著低于塊體材料，且其性能提升進(jìn)展緩慢。為了滿(mǎn)足更廣泛的應(yīng)用需求，特別是應(yīng)變線(xiàn)性度高、頻率和溫度穩(wěn)定性好的高性能壓電薄膜材料是近年來(lái)鐵電壓電材料研究領(lǐng)域的前沿之一。
近期，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授課題組基于無(wú)鉛壓電陶瓷的長(zhǎng)期研究成果，通過(guò)合作研究在高性能無(wú)鉛壓電薄膜的制備技術(shù)與結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控方面取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)在鈮酸鉀鈉（KNN）基薄膜中通過(guò)工藝優(yōu)化可形成互鎖網(wǎng)絡(luò)狀雙相結(jié)構(gòu)，顯著提升其壓電性能，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.14%的壓電應(yīng)變。該材料不僅線(xiàn)性度極佳，還在1～100kHz的寬頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出突出的穩(wěn)定性，應(yīng)變變化率低至7%。
研究發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)溶液旋涂法制備薄膜的過(guò)程中引入兩步結(jié)晶工藝，可有效調(diào)控外延薄膜的結(jié)晶相組成和納米極性微區(qū)結(jié)構(gòu)（polar nanoregion，PNR）。在第一步結(jié)晶過(guò)程中，利用界面形核誘導(dǎo)的應(yīng)力促進(jìn)單斜（M）相的形成；隨后，在更高溫度的第二步結(jié)晶過(guò)程中，促使剩余非晶相完全結(jié)晶形成四方（T）相。通過(guò)精確調(diào)控?zé)崽幚韰?shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜中M相與T相體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控以及納米極性微區(qū)尺度的優(yōu)化，最終構(gòu)建出具有顯著增強(qiáng)局域應(yīng)變效應(yīng)的互鎖單斜相納米極性微區(qū)（IM-PNR）結(jié)構(gòu)。
圖1.通過(guò)兩步結(jié)晶法實(shí)現(xiàn)納米極性構(gòu)型的協(xié)同調(diào)控
與傳統(tǒng)一步結(jié)晶法制備的薄膜相比，基于兩步結(jié)晶法獲得的IM-PNR結(jié)構(gòu)薄膜的壓電應(yīng)變超出2倍，同時(shí)維持了良好的應(yīng)變線(xiàn)性，并具有了優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性：在103至105Hz的頻率范圍內(nèi)，應(yīng)變變化率僅約7%；在25°C至150°C的溫度區(qū)間內(nèi)，變化率也僅為10%。基于此薄膜制備的pMUT原型器件也展現(xiàn)出高位移靈敏度和頻率穩(wěn)定性，證明了其在高頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的巨大潛力。
圖2.IM-PNR類(lèi)型薄膜的應(yīng)變、線(xiàn)性度和穩(wěn)定性
為深入理解性能提升的物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用積分差分相位襯度掃描透射電子顯微鏡技術(shù)直接觀(guān)測(cè)到了薄膜中相互交織的單斜與四方極性納米區(qū)域。這種極性納米微區(qū)使壓電性能倍增，且極化矢量翻轉(zhuǎn)具有對(duì)外電場(chǎng)高頻信號(hào)的快速響應(yīng)，促進(jìn)了寬頻域內(nèi)的極化動(dòng)力學(xué)，從而穩(wěn)定地增強(qiáng)了較大高頻范圍內(nèi)的應(yīng)變響應(yīng)。同時(shí)，由多元摻雜和兩步結(jié)晶法協(xié)同促進(jìn)的微區(qū)異質(zhì)性更好地實(shí)現(xiàn)了相界彌散，使M+T雙相結(jié)構(gòu)在更寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定共存，顯著改善了KNN基薄膜電致應(yīng)變的溫度穩(wěn)定性。
圖3.IM-PNR型薄膜的納米極性構(gòu)型
結(jié)合原位電場(chǎng)同步輻射X射線(xiàn)衍射與相場(chǎng)模擬，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了優(yōu)異電致應(yīng)變線(xiàn)性的起源。發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)作用下M相與T相之間幾乎沒(méi)有相互轉(zhuǎn)化，而微觀(guān)晶格常數(shù)變化值（~1.16%）與實(shí)測(cè)宏觀(guān)應(yīng)變數(shù)值（1.14%）一致。M與T相區(qū)域各自的晶體衍射結(jié)果進(jìn)一步揭示：不同對(duì)稱(chēng)性、邊界條件的M和T相PNR中產(chǎn)生的兩種極化切換機(jī)制，它們之間的協(xié)同互補(bǔ)效應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)了薄膜的應(yīng)變線(xiàn)性。
該工作不僅發(fā)現(xiàn)了新的相結(jié)構(gòu)調(diào)控和壓電應(yīng)變機(jī)制，也為研發(fā)具有高可靠性、大應(yīng)變且線(xiàn)性響應(yīng)的高頻鐵電壓電薄膜提供了一種前景廣闊且工藝簡(jiǎn)便的策略。
圖4.IM-PNR型薄膜的原位結(jié)構(gòu)演化
研究成果以“互鎖單斜相納米極性微區(qū)產(chǎn)生的大線(xiàn)性高頻應(yīng)變”（Large linear high-frequency strain by interlocked monoclinic polar nanoregions）為題，于年9月29日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2025屆博士畢業(yè)生程月雨杉為論文第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院教授李敬鋒、澳大利亞伍倫貢大學(xué)/香港城市大學(xué)教授張樹(shù)君、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授羅震林和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授大衛(wèi)·霍爾（David A. Hall?）為論文共同通訊作者。其他重要合作者包括北京科技大學(xué)講師施小明、清華大學(xué)材料學(xué)院舒亮博士、北京理工大學(xué)教授黃厚兵、清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李千、清華大學(xué)材料學(xué)院教授鐘敏霖。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和清華大學(xué)新型陶瓷全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02354-z
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
