武海军课题组：“变废为宝”实现无铅压电薄膜性能突破

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无铅碱金属铌酸盐[KNNO或NaNbO3,NNO]因其优异的综合压电性能和环境友好等特性，有望替代有毒的铅基材料，被广泛应用在微电子机械系统(MEMS)的压电薄膜中。提高KNNO基压电薄膜性能的传统策略是通过复杂的组分设计来实现相界调控：将KNNO的相变调到室温附近，使长程铁电畴变成短程有序纳米畴，利用相界处的相共存特征优化压电响应，所获得的最高的压电系数d33~250 pC/N。但是该传统策略需要严格控制其复杂的组分，很难适用于含有Na/K挥发严重的NNO和KNNO薄膜体系，也很难制备出高质量的单晶外延薄膜。因此如何设计新的短程有序结构来获得高性能压电薄膜是无铅压电领域的核心挑战。

设计思路(A-C)、结构机理(D-G)和性能优化(H-J)

       西安交大研究团队采用无掺杂的设计思路制备了高性能NNO/KNNO单晶外延压电薄膜，充分利用材料由于元素挥发产生的对性能不利的碱金属空位，诱导过量的铌原子占据碱金属空位形成反位缺陷，通过调控薄膜生长工艺，让无序的反位缺陷沿薄膜面外方向有序排布形成柱状纳米反相畴，该纳米级短程有序的柱状反相畴具有高密度的二维短程有序反相界面，如图A-C所示。研究团队利用球差校正扫描透射电镜(STEM)首次发现了这种全新的短程有序结构，并从反相界面处原子结构畸变/极化态的角度揭示其微观机理：带电的闭合反相畴界呈现头对头/尾对尾的极化态，提供强的局域退极化场，有利于电偶极子在短程有序的反相畴和长程有序的基体之间灵活地旋转，进而增强薄膜在外场下的压电响应，如图D-G所示。[Nat. Commun. (2021)]基于此，研究团队首先在NNO体系中制备了高质量的单晶外延薄膜，获得了巨大的压电系数约(d33 ~ 1100 pC/N)，是报道性能最高的无铅薄膜的四倍，是报道性能最高的铅基薄膜的两倍；因为未经任何掺杂，材料维持了高的居里温度(TC ~450 ℃)，保证了材料具有好的热稳定性，如图H-J所示。[Science (2020), Nat. Commun. (2021)]该无掺杂的设计思路很好地避免了传统的复杂组分设计带来的弊端，利用材料本征的点缺陷进行调控，在长程基体中自组装地形成短程有序结构，为高性能无铅压电薄膜的设计开辟了全新途径。
       上述Nat. Commun.论文由西安交大金属材料强度国家重点实验室和材料学院（孙军教授、丁向东教授和武海军教授）主导，与国内外高校研究所（包括新加坡国力大学、新加坡科技局、北京科技大学和北京航空航天大学）通力合作。论文第一作者和通讯作者为武海军教授，西安交通大学为该论文第一作者和通讯作者单位。该研究得到了西安交大青年拔尖人才计划等项目的支持，感谢西安交大分析测试中心的大力支持。
      论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23107-x


      文章来源：西安交通大学
      武海军于新加坡国立大学获得博士学位，目前在新加坡国立大学任李光耀博士后研究员 (全球1-3名/年) 。武海军长期从事电、力、热等能量装换功能材料的结构设计、机理分析及性能调控，在点缺陷优化材料电声输运和极化响应方面取得了重要的成果。材料的性能往往相互制约、此消彼长，例如压电材料的压电敏感性与其温度稳定性、热电材料的电导率和热导率是固有的矛盾。如何协同优化这些强耦合的参数以提高材料的综合性能是材料科学领域共同面临的难题。武海军利用点缺陷：在电子和原子层次调控载流子和声子的输运，实现了热电材料强耦合的电声输运的同时优化；在相层次调控相的稳定性进而调控极化敏感性和温度稳定性，化解了无铅压电系数敏感性和温度稳定性的矛盾；在介观畴层次诱发形成极化纳米畴，破解了薄膜合金化和外延性的矛盾性，实现了无铅压电薄膜性能的突破。这些研究为提升功能材料综合性能提供了新思路。