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 據悉，近日，合肥工業大學材料科學與工程學院左如忠教授及其科研團隊，通過摻雜改性及固相合成技術，成功制備出一種具有穩定反鐵電相結構的鈮酸鈉（NaNbO3，NN）基無鉛陶瓷材料,該材料在電場周期中呈現出重復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）曲線以及完全無負應變的豆芽狀應變-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

該研究成果對穩定NN陶瓷反鐵電性的機理及其技術路徑提出新的思路，在解決NN陶瓷反鐵電性難以利用這一技術和科學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動器、能量存儲等技術領域的應用。相關成果近期發表在國際著名學術期刊《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度相等而極性相反，因而宏觀上不呈現凈電偶極矩。在電場作用下反鐵電相會被誘發為鐵電有序相。伴隨著相變過程，晶胞體積和極化強度均快速增加，因而反鐵電材料在大位移驅動器、高功率脈沖電容器、能量存儲器件等領域具有非常大的應用潛力。NN是一種備受關注的無鉛反鐵電材料，然而該陶瓷材料中的反鐵電相的穩定性差，和具有正交結構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利用。如何有效穩定NN基無鉛陶瓷中的反鐵電相結構，并深入理解其電致應變特性及其結構機理已成為了該領域的一個研究熱點。

圖2. NN基反鐵電陶瓷的同步輻射X射線衍射數據

該研究團隊采用傳統固相合成技術，通過摻雜具有不同半徑的鋇、鈣離子（鋯酸鹽），制備出穩定可調的無鉛反鐵電陶瓷材料。典型可逆的雙電滯回線和可反復獲得的無負應變的雙極應變曲線表明該材料具有穩定的反鐵電性質和優異的電場誘發的電致應變特性。借助透射電子顯微鏡和原位/非原位同步輻射X射線衍射技術從電疇形貌、空間對稱性及其對電場響應的特征等方面深刻闡述反鐵電性的特征和應變機制。

圖3. NN基反鐵電陶瓷的宏觀電致應變

研究結果表明，容差因子較小的組元有助于穩定反鐵電相，而容差因子較大的組元有助于穩定鐵電有序相。在NN基無鉛反鐵電陶瓷中，宏觀應變的特點是縱向應變為正值，而橫向應變為負值，整個體積應變貢獻為20%。這一發現挑戰了人們對傳統鉛基反鐵電陶瓷材料在縱橫兩個方向上的應變都為正值的傳統認知。該研究有望推動了無鉛反鐵電材料領域的研究，并為未來無鉛反鐵電材料的進一步組成設計和結構研究奠定了理論和技術基礎。