當(dāng)下，反鐵電材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大位移驅(qū)動(dòng)器、高功率脈沖電容器、能量存儲(chǔ)器件等元器件，并在航空航天、精密儀器以及高端裝備制造業(yè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，由于傳統(tǒng)反鐵電材料普遍含鉛，這就勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一定的環(huán)境安全隱患。因此，對(duì)于可替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷材料的電子陶瓷材料的無(wú)鉛化研究，便成為了近年來(lái)材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
盡管該領(lǐng)域的科學(xué)家們經(jīng)過(guò)十余年艱苦卓絕的努力，極大地推動(dòng)了無(wú)鉛反鐵電陶瓷材料的研究水平，但反鐵電相穩(wěn)定性差、難以重復(fù)利用等關(guān)鍵性科學(xué)難題，仍一直困擾著無(wú)鉛材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
如今，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授左如忠及其科研團(tuán)隊(duì)為學(xué)界帶來(lái)了一個(gè)好消息：他們研發(fā)出了一種具有穩(wěn)定反鐵電相結(jié)構(gòu)的新型無(wú)鉛陶瓷材料，探明了其電致應(yīng)變特性及結(jié)構(gòu)機(jī)理，從而為未來(lái)無(wú)鉛反鐵電材料的進(jìn)一步組成設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
環(huán)保呼喚無(wú)鉛
在反鐵電材料中，相鄰的兩個(gè)子晶格極化強(qiáng)度相等而極性相反，在宏觀上不呈現(xiàn)凈電偶極矩。在電場(chǎng)作用下，反鐵電相會(huì)被誘發(fā)為鐵電有序相，伴隨著相變過(guò)程，晶胞體積和極化強(qiáng)度均快速增加，因而反鐵電材料在大位移驅(qū)動(dòng)器、高功率脈沖電容器、能量存儲(chǔ)器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
在眾多反鐵電材料中，鋯酸鉛是最早被發(fā)現(xiàn)的，其在電場(chǎng)周期中表現(xiàn)出典型的雙電滯回線，并且能夠獲得高達(dá)0.8%的應(yīng)變。鑒于其突出的電學(xué)性能，直到目前，鋯酸鉛基陶瓷仍然是研究和應(yīng)用最為廣泛的反鐵電材料。
然而，由于鉛的使用會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，故而國(guó)際上都對(duì)含鉛材料的研究與使用進(jìn)行了限制。于是，開(kāi)發(fā)出能夠取代鋯酸鉛基的無(wú)鉛反鐵電高性能陶瓷材料就成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
遺憾的是，無(wú)鉛反鐵電材料可選擇的余地非常有限。通常來(lái)說(shuō)，被認(rèn)為最有潛力的主要是鈦酸鉍鈉、鈮酸銀和鈮酸鈉三個(gè)體系。其中，鈦酸鉍鈉體系的結(jié)構(gòu)機(jī)理被認(rèn)定為是電場(chǎng)誘發(fā)的各態(tài)歷經(jīng)弛豫鐵電相至鐵電相的轉(zhuǎn)變，而非早期認(rèn)為的反鐵電相至鐵電相的相變；而鈮酸銀體系則因?yàn)楹匈F金屬銀而制約了其應(yīng)用潛力。
于是，研究人員便將目光聚焦到僅存的鈮酸鈉上。雖然鈮酸鈉備受關(guān)注，但它依舊存在缺陷：該陶瓷材料中的反鐵電相穩(wěn)定性差，因和具有正交結(jié)構(gòu)的鐵電相具有相似的自由能而常常在室溫下共存，導(dǎo)致其反鐵電性在電場(chǎng)周期中難以被重復(fù)利用。
“因此，如何有效穩(wěn)定鈮酸鈉基無(wú)鉛陶瓷中的反鐵電相結(jié)構(gòu)，并深入理解其電致應(yīng)變特性及結(jié)構(gòu)機(jī)理，對(duì)無(wú)鉛反鐵電材料的研究與市場(chǎng)應(yīng)用有非常重要的意義，也成為領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。”合肥工大材料科學(xué)與工程學(xué)院教授左如忠告訴《科學(xué)新聞》。
攻克業(yè)內(nèi)難題
對(duì)此，左如忠率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)固相合成技術(shù)，通過(guò)摻雜具有不同容差因子鈣鈦礦組成、形成結(jié)構(gòu)缺陷等方式，成功制備出一種具有穩(wěn)定反鐵電相結(jié)構(gòu)的鈮酸鈉基無(wú)鉛陶瓷材料。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一新型材料在電場(chǎng)周期中呈現(xiàn)出重復(fù)可利用的反鐵電相到鐵電相的相變特性、典型雙電滯回線特征的極化—電場(chǎng)（P-E）曲線，以及完全無(wú)負(fù)應(yīng)變的豆芽狀應(yīng)變—電場(chǎng)（S-E）曲線，從而證實(shí)該材料具有穩(wěn)定的反鐵電性質(zhì)和優(yōu)異的電場(chǎng)誘發(fā)的電致應(yīng)變特性。
與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還借助透射電子顯微鏡和原位/非原位同步輻射X射線衍射技術(shù)，對(duì)這種新型材料的電疇形貌、空間對(duì)稱性及其對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的特征等進(jìn)行了研究，探明了該材料的反鐵電性特征和應(yīng)變機(jī)制。
經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，課題組還發(fā)現(xiàn)，容差因子較小的組元有助于穩(wěn)定反鐵電相，而容差因子較大的組元有助于穩(wěn)定鐵電有序相。在鈮酸鈉基無(wú)鉛反鐵電陶瓷中，宏觀應(yīng)變的特點(diǎn)是縱向應(yīng)變?yōu)檎�、橫向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，整個(gè)體積應(yīng)變貢獻(xiàn)為20%。
“這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了人們對(duì)傳統(tǒng)鉛基反鐵電陶瓷材料在縱橫兩個(gè)方向上的應(yīng)變都為正值的傳統(tǒng)認(rèn)知。”左如忠解釋。
這項(xiàng)研究成果的誕生，為穩(wěn)定鈮酸鈉陶瓷反鐵電性的機(jī)理及其技術(shù)路徑提出新的思路，在解決鈮酸鈉陶瓷反鐵電性難以利用這一技術(shù)和科學(xué)難題上邁出重要一步，為未來(lái)無(wú)鉛反鐵電材料的進(jìn)一步組成設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，有望推動(dòng)鈮酸鈉基無(wú)鉛反鐵電陶瓷材料在大位移驅(qū)動(dòng)器、能量存儲(chǔ)等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果也于近期發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《材料學(xué)報(bào)》。
創(chuàng)新永無(wú)止境
在電子陶瓷與器件研究領(lǐng)域里，左如忠及其團(tuán)隊(duì)并不讓人陌生。
近年來(lái)，左如忠課題組圍繞新型無(wú)鉛鐵電、反鐵電以及壓電陶瓷材料的設(shè)計(jì)、制備及其工藝—結(jié)構(gòu)—性能相互關(guān)系等一系列基礎(chǔ)問(wèn)題完成了大量開(kāi)創(chuàng)性工作，特別是在借助高分辨透射電子顯微鏡、高能同步輻射光源等先進(jìn)技術(shù)手段探索無(wú)鉛壓電材料體系在宏觀電學(xué)性能和微觀、介觀結(jié)構(gòu)、局域電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性方面取得了重要進(jìn)展。
在這些開(kāi)創(chuàng)性工作基礎(chǔ)上，2016年，左如忠團(tuán)隊(duì)成功發(fā)現(xiàn)和制備了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的新型鈮酸鈉基三元系準(zhǔn)同型無(wú)鉛無(wú)鉀鐵電、壓電陶瓷材料。該材料體系不僅具有環(huán)境友好和工藝友好的特征，還具有優(yōu)異的電致應(yīng)變特性和溫度不敏感的小信號(hào)壓電和機(jī)電性能，有望在高性能陶瓷驅(qū)動(dòng)器、傳感器和換能器等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
這支團(tuán)隊(duì)之所以能夠?qū)覄?chuàng)佳績(jī)，離不開(kāi)背后為其提供源源不斷創(chuàng)新支持的“后盾”——合肥工大電子陶瓷與器件研究所（IECDs）。
電子陶瓷與器件研究所成立于2007年初，主要從事新型介電、鐵電和壓電等信息功能陶瓷塊材、電磁薄膜材料、功能厚膜材料、低維功能材料的合成技術(shù)、成型技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)和理論，以及各種機(jī)、電、磁學(xué)等性能的表征及其在器件應(yīng)用方面和無(wú)源器件集成技術(shù)方面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)，特別是探索這一研究領(lǐng)域里具有新型結(jié)構(gòu)和性能的材料體系，研究其在高頻通信領(lǐng)域以及智能結(jié)構(gòu)和器件方面的應(yīng)用潛力。
“研究所擁有廣泛的國(guó)內(nèi)和國(guó)際學(xué)術(shù)交流與合作，有著良好的產(chǎn)學(xué)研合作基礎(chǔ)、科研環(huán)境和條件，追求一流的科研和一流的人才培養(yǎng)。”左如忠告訴記者。
目前，研究所有教授1人，副教授3人，講師1人，博士后1人以及博士生、碩士生近20人；近年來(lái)先后主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目、安徽省杰出青年基金項(xiàng)目及科技攻關(guān)項(xiàng)目等；在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文200余篇，獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)……一股具備核心創(chuàng)新能力的科研新勢(shì)力，正冉冉升起。
然而，對(duì)于左如忠和他的團(tuán)隊(duì)而言，一切只是開(kāi)始，創(chuàng)新永無(wú)止境。
“我們將以此為基礎(chǔ)和指導(dǎo)，進(jìn)一步通過(guò)組成設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控提高應(yīng)變量并降低相變驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，使鈮酸鈉基無(wú)鉛反鐵電陶瓷能夠獲得媲美含鉛反鐵電陶瓷的電學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)在位移驅(qū)動(dòng)器等電子器件中的商業(yè)化應(yīng)用。”左如忠表示。■
（作者之一夏瑞單位為合肥工業(yè)大學(xué)）