鐵電陶瓷是具有豐富電學(xué)特性的功能材料，利用其電致應(yīng)變特性可制成微驅(qū)動(dòng)器，具有位移精度高、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻、激光通訊和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而，多數(shù)鐵電陶瓷的電致應(yīng)變值的大小僅在0.1%數(shù)量級(jí)波動(dòng)，為了提升其電致應(yīng)變，常采用化學(xué)組分設(shè)計(jì)或晶粒取向工程等優(yōu)化樣品的機(jī)電響應(yīng)性能。近年來(lái)雖陸續(xù)有報(bào)道宣稱在無(wú)鉛鐵電陶瓷中觀察到巨大的應(yīng)變輸出（>1%），但是其電致應(yīng)變曲線卻大多呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。因此，深入研究鐵電陶瓷的電致應(yīng)變行為及其與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，對(duì)于大電致應(yīng)變陶瓷材料的研發(fā)具有重要意義。
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近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所易志國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)經(jīng)，在鐵電陶瓷電致應(yīng)變研究方面取得新進(jìn)展，繼發(fā)現(xiàn)鎢酸鉍鐵電陶瓷中存在由不對(duì)稱疇翻轉(zhuǎn)引起的彎曲形變效應(yīng)(Materials Today?58, 48, 2022)后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)厚度工程設(shè)計(jì)揭示了鐵電陶瓷電致彎曲形變的普適性，并在鈦酸鉍鈉固溶體陶瓷中獲得接近11.49%的超大表觀電致應(yīng)變，進(jìn)而利用電致彎曲效應(yīng)成功設(shè)計(jì)出壓電偏轉(zhuǎn)鏡和變形鏡等多種器件，最大偏轉(zhuǎn)角可達(dá)44.38°，居國(guó)際報(bào)道最高值。
鑒于學(xué)界對(duì)鐵電陶瓷電致應(yīng)變曲線的解釋多建立在樣品沿電場(chǎng)方向發(fā)生拉伸或壓縮形變的假設(shè)基礎(chǔ)上，該工作所揭示的由上下表面不對(duì)稱疇翻轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的彎曲形變效應(yīng)不僅為闡明不對(duì)稱應(yīng)變曲線的物理起源提供了新的認(rèn)知，而且為優(yōu)化鐵電陶瓷的機(jī)電響應(yīng)性能提供了新思路。
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鐵電陶瓷電學(xué)特性的厚度依賴效應(yīng)
鐵電陶瓷彎曲變形的內(nèi)在機(jī)理源于樣品上下表面不對(duì)稱疇翻轉(zhuǎn)
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壓電變形鏡設(shè)計(jì)和表征
鐵電陶瓷電致彎曲形變的普適性
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相關(guān)研究成果以"Ultra-large electromechanical deformation in lead-free piezoceramics at reduced thickness"為題發(fā)表在Materials Horizons?(2024, DOI: 10.1039/D3MH01657A)。論文第一作者為上海硅酸鹽所博士后何祥，通訊作者為易志國(guó)研究員。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、上海市科委和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01657A
文章來(lái)源：上海硅酸鹽研究所，https://www.sic.cas.cn/xwzx/kydt/202312/t20231225_6927167.html
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