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我院秦亚琳博士、张永成副教授在透明压电陶瓷材料研究领域取得重要进展
2021-12-14 15:02  

透明压电材料在透明压电触控传感器、光声成像透明换能器、透明驱动器等方面有着诱人的应用前景。但复杂的铁电畴结构使得压电材料的透光率一直较低,阻碍其在多功能器件领域的应用。2020年,兼具高透明度和高压电性Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(简称 PMN-PT)单晶的成功制备引起了广泛的关注,被评为2020年度中国科学十大进展之一。国际知名期刊Nature和Science也对该单晶材料给予了高度评价:“将光学功能耦合在了高性能压电晶体中,为力-电-光多功能耦合器件的研制打开了一扇门,及时地满足了当前日益增长的对多功能材料和器件的需求”、“透明高性能压电晶体将推动透明机器人、自供电触摸屏等器件的研制用于制作具有更高灵敏度的光声成像系统,在乳腺癌、黑色素瘤和血液疾病的诊断方面为医生提供帮助”。

与单晶材料相比,陶瓷材料具有制备工艺简单和成本低的优势,但陶瓷材料中的气孔以及复杂的晶粒晶界结构使其更加难以透明。虽然可以通过组分调控降低压电材料的居里温度来减少铁电畴的数量、降低铁电畴的尺寸进而提高其透过率,但该方法会大大降低材料的压电性能。所以制备同时具有高压电性和高透过率的压电陶瓷一直以来是一个较大的挑战。

近日,我院秦亚琳博士、张永成副教授研制了同时具备高压电性(压电系数d33~1400 pC/N)和高透光率(~68% @ 900 nm)的稀土Eu掺杂PMN-PT透明压电陶瓷。相关成果以“Highly Transparent Eu-Doped 0.72PMN-0.28PT Ceramics with Excellent Piezoelectricity”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上(2021 13 (45), 54210-54216; DOI:10.1021/acsami.1c17262)。该工作采用扫描电子显微镜和压电力显微镜观察并分析了陶瓷的电畴结构:平均尺寸仅为250 nm的水痕状电畴形貌为主要的电畴结构,这对陶瓷呈现较高的光学透过率是极为有利的;平行直条纹电畴形貌的含量较少,但相比于水痕状电畴结构,平行直条纹电畴结构中的电畴翻转对外电场更加灵敏且引起的应变更大,因此对陶瓷的压电性能有显著的提高作用。

该论文第一作者为我院硕士研究生颜培坤,导师为秦亚琳博士(通讯作者)。我院张永成副教授和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授为论文的共同通讯作者。青岛大学为论文第一单位和通讯作者单位。

相关论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsami.1c17262


 

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