高性能无铅压电材料Ba(Zr,Ti)O3-(Ba,Ca)TiO3准同型相界亚畴结构与压电性能相关性的研究

Developing Pb-free piezoelectric material is an important issue in solid state physics, aiming to replace the widely-used toxic Pb-based piezoelectrics. However, most of the existing Pb-free piezoelectric materials are inferior to Pb-based systems in piezoelectricity. Very recently, a new Pb-free piezoceramic has been reported in a Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (abbreviated as BZT-BCT)compound, which exhibits high d33 comparable with the conventional Pb(Zr,Ti)O3 system. Nevertheless, the reason for such strong piezoelectricity in Pb-free BZT-BCT system is not clear; in particular, its microstructure-property relationship has not been revealed. This funding is proposed with the purpose of establishing the relationship between strong piezoelectricity and the domain structure in BZT-BCT piezoceramic. Firstly, the domain structure and crystal symmetry feature of BZT-BCT close to morphotropic phase boundary compositions will be characterized by transmission electron microscopy. Its relationship with piezoelectric property will be established in combination with further piezoelectricity characterization. Secondly, the domain dynamics will be studied by considering its contribution to piezoelectricity. Thirdly, a theoretical model based on our experimental observation will be proposed in order to understand the physics origin underneath the strong piezoelectricity in BZT-BCT. We believe our project will provide guidance for developing new lead-free piezoelectrics.

压电电介质材料被广泛应用在电子器件中。最近，在一种新型无铅压电陶瓷材料Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3（简称BZT-BCT）中，发现了与传统铅系Pb(Zr,Ti)O3陶瓷同量级的巨大压电系数,使得该无铅压电材料有望取代有毒铅系材料。然而，目前对BZT-BCT材料压电机理的探究工作尚不充分，特别是该材料的结构-性能关系，即压电性能与内部电畴结构的相关性还未被研究。本项目拟采用透射电子显微技术，表征BZT-BCT压电陶瓷在准同型相界附近成分的铁电畴形貌以及晶体结构演化，并结合压电性能测试，建立该体系电畴结构与压电性能的相关性。同时，本项目还将研究电畴结构的动态过程对于压电性能的贡献。此外，拟根据实验结果，建立铁电畴结构与压电性能关系的理论模型。本项目的提出，旨在理解BZT-BCT材料巨大压电性能的物理机理，对开发新型无铅压电材料提供重要指导。

压电材料是一种广泛应用于工业生产和日常生活中的功能电介质材料。开发高性能无铅压电材料取代商用铅系氧化物材料（锆钛酸铅PZT）已成为发展趋势。最近，发现了若干种新型的无铅压电材料，例如 Ba(Zr,Ti)O3-(Ba,Ca)TiO3（BZT-BCT）和 (K,Na)LiNbSbO3-BaZrO3（KNLNS-BZ），在其准同型相界（MPB）区域，压电性能优越，有望在未来代替PZT。然而，目前针对无铅压电陶瓷的铁电畴表征及其与压电性能关系的研究尚不充分。为此，本项目从结构-性能关系入手，研究了新型压电材料的铁电畴形貌衍化及畴动态过程，揭示其压电机理，并得出以下结论：.（1）在微观结构表征方面，透射电子显微试验表明BZT-0.5BCT和KNLNS-BZ在高性能MPB区均具有小型化的亚畴结构，在晶体结构特征方面，会聚束电子衍射试验证明BZT-0.5BCT和KNLNS-BZ分别表现为四方-三方、四方-正交共存的结构，反映其优异的压电性是由于两相间的极化旋转造成的。.（2）使用弱场瑞利分析与强场应变测量相结合的方式，对无铅压电陶瓷BZT-BCT压电性能与组分之间的关系展开了研究。结果显示，本征压电响应的峰值出现在相界的附近。而与可逆的畴壁运动相对应的非本征压电响应，也在相不稳定区得到了增强。进一步研究表明，非本征的压电效应是导致BZT-BCT陶瓷大压电响应的主要因素。.（3）通过本项目研究已得出的结构-性能关系，建立了MPB型无铅压电体系的Landau-Ginzburg方程，证明了所观察到的层级电畴结构及亚畴小型化现象。从而建立了无铅压电体系亚畴结构与压电性能相关性的理论模型。.本项目发表SCI国际期刊论文8篇，包括Applied Physics Letters 4篇、Journal of Applied Physics 3篇、Europhysics Letters 1 篇。项目组成员参加国内外学术会议4次并作报告。本项目的研究结果建立了无铅压电陶瓷BZT-BCT压电性能与其亚畴结构的联系，并为开发新型的无铅压电材料提供了依据。