面向下一代機電技術的鐵電材料

鐵電材料因其優異的電-機械性能，已廣泛應用于超聲換能器、執行器和機械能量收集等各類設備中。其中，超聲換能器的靈敏度、效率和帶寬等關鍵指標，很大程度上依賴于材料的壓電性能。在此，西安交通大學李飛教授綜述了近年來在提升鐵電材料壓電性能方面的研究進展，并提出了進一步優化的潛在策略，以滿足對高性能壓電器件和系統日益增長的需求。此外，文章還探討了鐵電材料在新興應用中的發展前景，如光聲成像、集成電路電子設備中的壓電風扇和微型馬達等。同時也提醒，鐵電材料的研發與應用需綜合考慮其全生命周期內對環境的影響，涵蓋原料獲取、生產制造、使用和最終處置等環節。相關成果以“Ferroelectric materials toward next-generation electromechanical technologies”為題發表在《Science》上，李飛教授為唯一通訊兼唯一一作。

李飛，西安交通大學電子科學與工程學院教授。分別于2006年和2012年，在西安交通大學電子科學與技術專業獲得工學學士和博士學位。主要從事鐵電壓電材料與器件方面的研究工作，在Nature、Science等期刊發表學術論文 120 余篇，授權發明專利20余項。曾獲得2022年度陳嘉庚青年科學獎、2020年度IEEE Ferroelectrics Young Investigator Award、2020年度美國陶瓷學會Ross Coffin Purdy Award、2021年度中國硅酸鹽學會微納技術分會“卓越青年講席”、2018年中國物理學會電介質物理專委會“優秀青年獎”等學術榮譽。

壓電材料可以把電信號和機械變形相互轉換，廣泛應用在超聲、驅動、傳感、能源與醫療等領域（圖1A-C）。傳統石英雖然穩定，但響應弱，無法滿足現代高性能需求。鐵電陶瓷PZT因壓電性能強，已廣泛用于噴墨打印、燃油噴射和精密定位（圖1A）。通過結構創新，比如單層/雙層懸臂梁、“月牙”形等設計，進一步提升了變形能力（圖1B），也催生了微型馬達和壓電機械手，適用于高精度制造與快速定位（圖1C）。馳豫鐵電單晶的出現大幅提高了超聲換能器性能，帶來更強信號和更寬帶寬，推動了醫療影像技術發展（圖1D-E）。柔性壓電復合材料和透明壓電材料讓穿戴式超聲和透明聲學設備成為可能，已用于人體監測、腦部刺激、電子皮膚、關節監測等（圖1F）。高頻通訊領域，基于AlN或改性AlN、LiNbO?的濾波器滿足了5G、6G需求（圖1G）。此外，鐵電納米材料還能用于催化產氫與精準醫療。面向未來，壓電技術面臨高頻超聲的分辨率與穿透力矛盾，以及微型散熱、馬達的高效率低電壓需求，亟需開發性能更強的新型壓電材料（圖1H）。整體看，材料創新和結構設計將推動壓電技術在醫療、電子、能源等領域廣泛應用。

圖 1.由鐵電材料制成的代表性機電器件

通過展平自由能曲線來增強鐵電體中的壓電性

提升鐵電材料壓電性能的核心在于提高d33和k33，而這可以通過優化材料的自發極化（PS）、電致伸縮系數（Q33）以及介電常數（ε）來實現。近年來，最有效的方法之一是設計形變相界（MPB），即通過調控材料成分，讓不同晶相共存，進而平坦化自由能曲面。這種設計能顯著促進極化旋轉和疇壁運動，增強縱向與橫向介電響應，大幅提升壓電性能。例如，在PZT陶瓷中，靠近MPB位置（Zr:Ti=52:48）時，自由能面明顯變平，極化旋轉增強，d33大幅提升（圖2D-E）。類似策略也應用于鐵電聚合物、分子鐵電晶體和Sc摻雜AlN等體系，均取得了數倍甚至數量級的d33提升（圖2F-H），廣泛推動了超聲醫學、微型馬達、柔性電子、射頻濾波器等領域的發展。

圖 2.壓電響應及其與鈣鈦礦鐵電晶體自由能分布的關系

鐵電材料的壓電性能不僅與材料本身有關，還與鐵電疇的結構和排列密切相關。通過控制疇的尺寸和結構，可以顯著影響自由能曲面和平衡極化狀態，從而優化d33等關鍵指標。研究表明，在不同晶相和疇結構下，疇尺寸對d33的影響不同，菱方相PMN-PT中，適當增大疇尺寸可使d33提高30%以上（圖3A-B）。此外，帶電疇壁（CDWs）因其強烈去極化場，可進一步誘導極化旋轉，理論上有望大幅提升d33，但目前技術仍難以穩定制造周期足夠小的CDWs（圖3E）。另一方面，位錯工程被證明能有效增強可逆疇壁運動，提升大信號d33，實驗中BaTiO3的d33已被提升至1890 pm V?1，進一步優化有望突破萬級（圖3F）。未來，結合帶電疇壁、位錯設計與先進三維結構調控，將為鐵電材料壓電性能的突破提供新路徑。

圖 3.通過域工程提高鐵電晶體的壓電系數

引入納米尺度的局部結構異質性，是近年來提升鐵電材料壓電性能的有效手段。以經典的Pb(BIBII)O3-PT基弛豫鐵電材料為代表，這類材料在B位離子無序分布下，內部形成了納米級的極化異質區（NHPRs）（圖4A-B），大幅增強了介電性和壓電性。研究表明，NHPRs對室溫下壓電性能的貢獻超過50%（圖4C-E）。進一步通過摻雜稀土元素或提高組分熵，可加劇局部結構異質性，當前Sm/Nd摻雜PMN-PT的d33已突破4500 pC N?1，理論上有望通過優化達到萬級（圖4F）。類似思路也被拓展到其他體系，如NaNbO3、KNN薄膜中引入納米反相柱（圖4G），或通過設計超晶格、極化渦旋、聚合物分子鏈改性（圖4H）等，均實現了明顯的壓電性能提升。這些策略打破了傳統固溶體設計的限制，為壓電材料性能的持續突破提供了新思路。

圖 4.通過局部結構異質性增強鐵電晶體的壓電性能

應力-應變工程

通過外部應力或電場可以有效調控鐵電材料的自由能曲面，提升壓電性能。比如，在PbTiO?中施加大約10 GPa的高壓，可誘導四方相向單斜相轉變，顯著壓平自由能曲面，增強d33系數（圖5A）。類似地，計算結果表明，在BaTiO?和PZT中施加幾百兆帕的適當壓應力，也能有效提升壓電性能（圖5B、5C）。雖然對大塊鐵電材料直接施加高應力存在困難，但鐵電薄膜中的外延應變是一種有效手段，尤其在應變誘導相變附近，可顯著提升壓電性能（圖5D）。例如，BiFeO?、PbZrO?和NaNbO?薄膜中，研究人員通過合理設計相共存區域或利用反鐵電-鐵電相變，分別實現了高達5%的應變和顯著的d33系數提升（圖5E）。此外，理論研究還發現，在應變調控下，PbTiO?中的90°疇壁附近會形成強關聯的局域偶極，能低能耗自由旋轉，從而進一步增強壓電性能（圖5F、5G）。這些研究為通過外場或應變手段提升鐵電壓電性能提供了重要參考。

圖 5.外延應變應力誘導壓電性能增強

增強壓電性

為了突破傳統通過提升介電常數來增強鐵電材料壓電性能的局限，近年來研究者發展了多種新策略。比如，通過晶粒取向工程，將多晶陶瓷中的晶粒沿<001>等特定方向有序排列，顯著提升了陶瓷的d33和k33，使其性能接近單晶，且工藝更簡單、成本更低；此外，利用離子重分布效應，尤其是氧空位在外電場下的短程遷移，可誘導超大電致應變，大幅提高壓電響應，已在KNN、NBT等材料中取得顯著效果；同時，借助彎曲電效應，通過結構設計在本不具壓電性的中心對稱材料中也可實現有效壓電輸出，尤其在多孔柔性復合材料中，壓電系數已接近甚至超過高端單晶鐵電體。這些新方法相互結合，為設計高性能、低能耗、柔性或微型壓電器件提供了重要發展方向。

計算設計與可持續性考慮

為滿足新興應用對高性能壓電材料的需求，傳統的“試錯式”研發方式已無法跟上步伐，亟需借助計算模擬和智能設計加速新材料發現。目前，相場模擬、第一性原理、高通量計算和機器學習等方法，已廣泛用于預測鐵電材料的壓電性能，指導如稀土摻雜Relaxor晶體的超高d33設計或新型鐵電氧化物的發現。同時，材料可持續發展也成為重要方向，研究者正積極推動無鉛鐵電體系、可降解鐵電材料和綠色低能耗工藝的發展，如低溫燒結、3D打印和自極化技術等，這些技術不僅提升了性能，還減少了環境污染和能耗，助力實現碳中和目標。圖例中展示了通過多尺度計算與結構設計獲得高性能鐵電材料的思路

總結與展望

未來，壓電材料的研發正朝著“按需定制”方向發展，不再單純追求高壓電系數（d??）和電機耦合因子（k??），而是要結合具體應用，綜合考慮介電常數、介電損耗、擊穿場強、機械損耗等多種性能指標。比如，超聲陣列需要超高介電常數以匹配阻抗，微型壓電風扇、馬達則需要在高壓電性能基礎上降低介電常數和損耗以減小功耗和發熱。針對不同需求，設計路徑各有側重，如采用局域結構設計、摻雜或引入高密度帶電疇壁來提升介電常數，或通過織構、離子遷移等手段實現高壓電但低介電的材料體系。同時，透明、柔性、可降解、良好生物兼容性的鐵電材料也成為研究熱點，適用于透明超聲換能器、觸摸傳感器、可穿戴醫療設備等新興領域。結合機器學習、計算模擬與實驗驗證，可大幅加速新材料發現與應用拓展，推動高性能、環保型壓電材料走向下一代科技產品。

來源：高分子科學前沿

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