材料学院吴家刚团队在Chemical Society Reviews上发表综述论文—高性能铌酸钾基无铅压电陶瓷新型相界构筑

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    发布于:08月30日 10:49  浏览量:2567  来源:材料学院

  近日,材料科学与工程学院吴家刚教授团队与沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授在化学领域国际顶尖综述期刊《Chemical Society Reviews》发表了题为“Emerging New Phase Boundary in Potassium Sodium-Niobate Based Ceramics”的长篇综述论文(Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 671-707),并被编辑选为当期正封面论文。该文系统介绍了无铅压电材料及器件研究团队近年来关于铌酸钾钠基陶瓷新型相界提出、压电性能调控、器件研制及物理机理研究进展。四川大学作为第一署名单位,论文第一作者为吕想博士(我校“3+2+3”本硕博连读),吴家刚教授为唯一通讯作者。

  


  图1. 该综述论文选为当期正封面

  具有钙钛矿结构的压电材料以其独特的机电转换功能被广泛应用于各种电子器件中,对国民经济有着极其重要的作用。目前商业化使用的是含铅(Pb)压电材料,对环境和人类健康都会产生严重的污染和危害。随着欧盟、中国等国家和区域颁布的一系列限制在电子器件中使用有毒元素铅的法律法规以来,制备具有可与铅基压电材料相媲美压电性能的无铅材料体系成为近十余年来的研究热点。因此,兼具高居里温度和良好压电性能的铌酸钾钠{(K, Na)NbO3, KNN}基无铅压电陶瓷成为了研究者的目标。虽然KNN基陶瓷倍具希望,但是过去其相对较低的压电性能仍然限制其在实际应用中的发展。因此如何在KNN基陶瓷中实现高压电性能一直困扰着研究者。虽然2004年日本科学家报道反应模板织构法和正交-四方相界能有效地提升KNN基陶瓷的压电性能,但是高成本的制备方法使其难以工业化,并且使用传统固相法制备得到的正交-四方相界压电性能仍较低。吴家刚团队于2014年率先提出了通过组分设计与优化来同时移动KNN陶瓷的相转变温度(三方→正交和正交→四方相变温度)至室温附近,构建了一个不同于之前正交-四方相界的“新型相界”。该设计思路大幅度地了增强KNN基陶瓷的压电性能,并且首次在传统固相法中得到了比肩铅基压电陶瓷的性能 (J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 2905)。随后,吴家刚教授通过系统地总结组分与相界和压电性能的关联,指出了“新型相界”构筑的有效途径、发展与展望,并以长篇综述论文发表在化学顶级综述期刊(Chem. Rev., 2015, 115, 2559,已被引用700余次)。

  自2015年起,以“新型相界”设计思路为核心,通过铁电畴尺寸调控和弛豫特性引入,团队在KNN基陶瓷的压电性能上实现了连续的突破(压电系数d33=400-650 pC/N),为当前国际上报道的该类非织构陶瓷最高值(Adv. Mater., 2016, 28, 8519、J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 13987)。并且通过“组分设计—新型相界—相结构—畴结构—宏观性能”和“纳米铁电畴”研究,诠释了KNN基陶瓷高压电性起源(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15459、Energy Environ. Sci., 2017, 10, 528),并制作了高性能超声换能器(Nano Energy, 2020, 70, 104559)。与此同时,新型相界还给KNN基陶瓷带来了增强的温度稳定性,使其更有利于实际应用。更为重要的是,“新型相界”设计思路已成功推广到钛酸钡(BaTiO3)基无铅压电陶瓷,同样实现了高性能(d33=700 pC/N)( J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 15252)。

  


  图2. 新型相界对KNN基陶瓷结构和性能的影响

  新型相界对KNN基陶瓷性能显著的提升使其能够媲美部分商用铅基压电陶瓷,有望得到实际应用。为此,本论文结合团队在KNN基陶瓷新型相界已有的研究工作,以新型相界为核心,沿“历史发展→构建方式→本质特点→结构→性能→有效性与范围→器件应用→当前挑战→未来发展”为线路,系统地综述了新型相界的发展并提出了相应的展望。更为重要的是,本论文重点解释和强调了为何称之为“新型相界”的原因,并与之前的相界功能进行了详细地对比,有助于对新型相界的深入认识,推动无铅压电陶瓷的实用化研究。本文的发表,显示出新型相界在KNN基陶瓷的重要性和发展潜力,也是国际权威期刊对这一新研究方向的肯定。

  


  图3. 该综述论文结构图以及未来无铅压电材料发展展望

  本论文第一作者为吕想博士,曾为材料科学与工程学院 “3+2+3”本硕博连读学生(2011.9-2019.6),目前在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology)从事博士后研究(合作导师为张西祥教授);主要从事无铅压电材料的组分设计、性能调控及物理机理研究。到目前为止,作为第一作者(包括共同一作和通讯作者)已发表SCI收录论文21篇,包括Adv. Mater, ACS Appl. Mater. Interfaces (3篇), J. Mater. Chem. A/C (2篇), Acta Mater, Adv. Electron. Mater等。

  上述工作得到国家自然科学优秀青年基金(51722208)等项目的资助。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/ko/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00432g#!divAbstract


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