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 據(jù)悉，近日，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院左如忠教授及其科研團(tuán)隊，通過摻雜改性及固相合成技術(shù)，成功制備出一種具有穩(wěn)定反鐵電相結(jié)構(gòu)的鈮酸鈉（NaNbO3，NN）基無鉛陶瓷材料,該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。

圖1. NN基反鐵電陶瓷的顯微形貌、介電和鐵電性能

該研究成果對穩(wěn)定NN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NN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，有望推動NN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)成果近期發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Acta Materialia》上（Vol. 161, 352-9, 2018）。論文的合作者為付健副教授和祁核博士。

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，因而宏觀上不呈現(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)域具有非常大的應(yīng)用潛力。NN是一種備受關(guān)注的無鉛反鐵電材料，然而該陶瓷材料中的反鐵電相的穩(wěn)定性差，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，使其反鐵電性在電場周期中難以重復(fù)利用。如何有效穩(wěn)定NN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)變特性及其結(jié)構(gòu)機(jī)理已成為了該領(lǐng)域的一個研究熱點。

圖2. NN基反鐵電陶瓷的同步輻射X射線衍射數(shù)據(jù)

該研究團(tuán)隊采用傳統(tǒng)固相合成技術(shù)，通過摻雜具有不同半徑的鋇、鈣離子（鋯酸鹽），制備出穩(wěn)定可調(diào)的無鉛反鐵電陶瓷材料。典型可逆的雙電滯回線和可反復(fù)獲得的無負(fù)應(yīng)變的雙極應(yīng)變曲線表明該材料具有穩(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。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)從電疇形貌、空間對稱性及其對電場響應(yīng)的特征等方面深刻闡述反鐵電性的特征和應(yīng)變機(jī)制。

圖3. NN基反鐵電陶瓷的宏觀電致應(yīng)變

研究結(jié)果表明，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NN基無鉛反鐵電陶瓷中，宏觀應(yīng)變的特點是縱向應(yīng)變?yōu)檎担鴻M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。該研究有望推動了無鉛反鐵電材料領(lǐng)域的研究，并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)。