用于压电器件的锆钛酸铋钠基材料的局部结构研究

Aiming towards the current challenge of the development of the environmental-friendly lead-free piezoelectric material, in combination with the applicant's previous experience on the lead-based materials' local structure and the giant piezoelectric response theoretical model, we propose to choose the (Na,Bi)TiO3 based material which has complex local structure for chemical modification into the Na1/2Bi1/2(Ti,Zr)O3 and Na1/2Bi1/2(Ti,Zr)O3-BaTiO3 solid solutions, and to systematically study the crystal structures under different compositions of the solid solution. We will use neutron or synchrotron total scattering methods to study the average structure and the local structure with different coherent lengths, and use in-situ experiments to study the contributions from the lattice change and the domain motions to the deformation of the bulk material under electric field. A morphotropic phase boundary composition will be searched on the basis of the mobility of polarization rotation and domain wall motion, and therefore to enhance the piezoelectric properties from the aspects of intrinsic and extrinsic contributions.Finally we aim to design and manufacture the next generation high response, environmental friendly, lead-free piezoelectric materials and devices.

针对当前铁电压电领域亟待解决的新一代环保无铅压电材料开发问题，结合项目申请人在高性能含铅压电材料局部结构与压电响应理论模型方面的前期工作基础，选择具有复杂局部结构的钛酸铋钠基材料作为基础，对其进行锆元素的化学掺杂，形成Na1/2Bi1/2(Ti,Zr)O3以及Na1/2Bi1/2(Ti,Zr)O3-BaTiO3固溶体，系统研究固溶体不同成分下的晶体结构，重点通过中子衍射和同步辐射全散射实验研究不同相干长度下的平均结构和局部结构，同时通过原位实验手段，研究电场作用下晶格参数变化和畴壁移动对整体材料形变的贡献，以此为基础寻找极化矢量旋转和畴壁运动活性较大的准同型相界成分，进而从本征贡献和外源贡献两个角度提高材料的压电性能，设计制造出新一代可与含铅材料性能相媲美的无铅压电材料和器件。

本项目针对铁电压电材料领域亟待解决的无铅压电材料及器件开发问题，选取可能具有复杂局部结构的钛酸铋钠基陶瓷和薄膜，通过将钛酸铋钠与具有更高无序度的锆钛酸钡进行固溶，进行结构和电性能表征。通过分析具有不同无序度的组分中压电响应的来源，对多尺度结构与压电性能关系开展系统研究。在项目中成功制备了一系列具有不同组分、质量较好的钛酸铋钠-锆钛酸钡固溶体陶瓷，获得了材料的简单相图，并确定了分隔典型铁电相和弛豫相的相界，发现在相界处组分各项电性能，尤其是宏观压电响应得到了显著提升。此外，在这一组分还得到较低的矫顽场，解决了传统钛酸铋钠陶瓷难于极化的问题。在机理研究方面，针对具有典型铁电结构和弛豫铁电结构不同组分陶瓷的本征和非本征压电贡献进行了量化分析，并通过原位同步辐射实验验证了位于相界附近的组分在电场作用下活跃的畴壁运动是较高压电性能的起源。通过系统研究陶瓷样品，获得关键组分的基础上，成功制备同组分薄膜样品，将所开发的无铅压电材料体系用于开发压电隔膜传感器，通过优化结构参数和器件设计工艺，获得成形器件，或可拓展该材料的实际应用前景。