當(dāng)下，反鐵電材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大位移驅(qū)動器、高功率脈沖電容器、能量存儲器件等元器件，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，這就勢必會帶來一定的環(huán)境安全隱患。因此，對于可替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷材料的電子陶瓷材料的無鉛化研究，便成為了近年來材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
盡管該領(lǐng)域的科學(xué)家們經(jīng)過十余年艱苦卓絕的努力，極大地推動了無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)隊為學(xué)界帶來了一個好消息：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，從而為未來無鉛反鐵電材料的進(jìn)一步組成設(shè)計和結(jié)構(gòu)研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
環(huán)保呼喚無鉛
在反鐵電材料中，相鄰的兩個子晶格極化強(qiáng)度相等而極性相反，在宏觀上不呈現(xiàn)凈電偶極矩。在電場作用下，反鐵電相會被誘發(fā)為鐵電有序相，伴隨著相變過程，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)動器、高功率脈沖電容器、能量存儲器件等領(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，由于鉛的使用會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，故而國際上都對含鉛材料的研究與使用進(jìn)行了限制。于是，開發(fā)出能夠取代鋯酸鉛基的無鉛反鐵電高性能陶瓷材料就成為近年來的研究熱點(diǎn)。
遺憾的是，無鉛反鐵電材料可選擇的余地非常有限。通常來說，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；而鈮酸銀體系則因為含有貴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，對無鉛反鐵電材料的研究與市場應(yīng)用有非常重要的意義，也成為領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點(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
對此，左如忠率領(lǐng)團(tuán)隊采用傳統(tǒng)固相合成技術(shù)，通過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)的鈮酸鈉基無鉛陶瓷材料。
實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，這一新型材料在電場周期中呈現(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（P-E）曲線，以及完全無負(fù)應(yīng)變的豆芽狀應(yīng)變—電場（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)異的電場誘發(fā)的電致應(yīng)變特性。
與此同時，研究團(tuán)隊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)，對這種新型材料的電疇形貌、空間對稱性及其對電場響應(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，整個體積應(yīng)變貢獻(xiàn)為20%。
“這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了人們對傳統(tǒng)鉛基反鐵電陶瓷材料在縱橫兩個方向上的應(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，為未來無鉛反鐵電材料的進(jìn)一步組成設(shè)計和結(jié)構(gòu)研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，有望推動鈮酸鈉基無鉛反鐵電陶瓷材料在大位移驅(qū)動器、能量存儲等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果也于近期發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《材料學(xué)報》。
創(chuàng)新永無止境
在電子陶瓷與器件研究領(lǐng)域里，左如忠及其團(tuán)隊并不讓人陌生。
近年來，左如忠課題組圍繞新型無鉛鐵電、反鐵電以及壓電陶瓷材料的設(shè)計、制備及其工藝—結(jié)構(gòu)—性能相互關(guān)系等一系列基礎(chǔ)問題完成了大量開創(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。
在這些開創(chuàng)性工作基礎(chǔ)上，2016年，左如忠團(tuán)隊成功發(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)同型無鉛無鉀鐵電、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壓電和機(jī)電性能，有望在高性能陶瓷驅(qū)動器、傳感器和換能器等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
這支團(tuán)隊之所以能夠?qū)覄?chuàng)佳績，離不開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內(nèi)和國際學(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；近年來先后主持多項國家自然科學(xué)基金項目、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項目、安徽省杰出青年基金項目及科技攻關(guān)項目等；在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文200余篇，獲得國家授權(quán)發(fā)明專利10余項……一股具備核心創(chuàng)新能力的科研新勢力，正冉冉升起。
然而，對于左如忠和他的團(tuán)隊而言，一切只是開始，創(chuàng)新永無止境。
“我們將以此為基礎(chǔ)和指導(dǎo)，進(jìn)一步通過組成設(shè)計和結(jié)構(gòu)調(diào)控提高應(yīng)變量并降低相變驅(qū)動電場，使鈮酸鈉基無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)）