四川大学:材料学院吴家刚无铅钛酸铋钠基陶瓷的构效关联取得进展

近日，四川大学材料科学与工程学院吴家刚教授团队在无铅钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的结构调控与性能增强的关联研究方面取得重要进展。弛豫铁电体具有特殊的机电耦合响应，近年来受到越来越多的关注。尽管已经研究了几十年，在这些弛豫铁电材料中，将“原子尺度的有序性”与“局部极性结构”以及“材料的宏观性能”关联起来，仍然是一个极大的挑战。而对开发新型无铅压电材料体系而言，建立一个完整的“成分-结构-性能”的关联尤为关键。

基于课题组前期经验（JACS, 2018, 140, 15252; JACS, 2019, 141, 13987; Nat. Commun., 2021, 12, 1），辅以多尺度的结构解析，采用关联性分析的方式，吴家刚团队首次在无铅钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷中构建了“成分”“原子尺度的有序性”“局部极性结构”和“宏观性能”之间的构效关联。钛酸铋钠基铁电陶瓷体系中的极化偏移，可分为以高、低角度畴壁为代表的两种偏移机制。通过优化化学掺杂，使局部缺陷浓度提升进而引起局部随机场的增加，是高角度的极化偏移的主要驱动力；而由反相位的氧八面体扭转演变为A-O的多方向位移引起的各向异性场的减小，是驱使低角度的极化偏移的驱动力。得益于各向异性场和随机场之间的竞争与协同的平衡，极化旋转、极化拉升和畴翻转被认为是大的动态机电响应的原因。

该工作为进一步理解、开发钙钛矿型无铅弛豫铁电体的性能打下了基础，相关成果以Deciphering the atomic-scale structural origin for large dynamic electromechanical response in lead-free Bi0.5Na0.5TiO3-based relaxor ferroelectrics 为题发表在Nature Communications 期刊上。论文第一作者为四川大学已毕业博士殷杰，四川大学吴家刚教授为通讯作者，四川大学为该论文的第一署名单位。西安交通大学、北京理工大学、澳大利亚卧龙岗大学为共同一作和共同通讯单位（施小明研究员为共同第一作者，武海军教授、张树君教授为共同通讯作者）。近年来，基于无铅块体铁电压电陶瓷的构效关联方面的研究，吴家刚团队已在JACS、Adv Mater、Nat Commun、Chem Rev、Chem Soc Rev、Prog Mater Sci等国际高水平期刊上陆续发表多篇论文。

该研究得到了国家自然科学基金委、四川省科技厅、四川大学工科特色团队等经费支持。

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