从投稿到接收不到4个月，甬江实验室，最新Science！

四相点奇迹！多晶PZT压电系数飙升至6850 pC/N，性能提升30倍

在精密传感、微型驱动器、柔性电子等前沿技术快速发展的今天，人们对压电材料提出了前所未有的性能要求：不仅要灵敏度更高、响应更快，还要在复杂环境下保持稳定工作。然而，传统多晶压电陶瓷长期受限于“先天体质”——本征压电效应微弱、晶粒取向难以完全一致，导致压电系数（d₃₃）始终徘徊在200–600 pC/N区间。如何在兼具可规模化、低成本与集成优势的多晶陶瓷体系中，实现数量级跃升，成为压电领域近70年的核心难题。

今日，甬江实验室任晓兵教授、任帅研究员联合西安交通大学杨阳副教授给出了突破性答案。研究团队通过在特定组分的PZT陶瓷中锁定一个“热力学奇点”——四相点（quadruple point, QP），并引入主动模式（active-mode）调控模块，使材料在居里温度附近持续工作，从而获得高达约6850 pC/N的巨压电系数，是商用PZT陶瓷的10–30倍、PMN-PT单晶的约4倍。这一成果不仅刷新了多晶压电材料的性能纪录，也重新定义了压电增强的理论路径。相关成果以“Gigantic piezoelectricity in a polycrystalline ceramic actively maintained at a quadruple point”为题发表在《Science》上，郝彦双、Dipak Kumar Khatua、Dong Wang和Jinghui Gao为共同第一作者。

值得注意的是，根据官网显示，这篇文章从投稿到接收仅用了不到4个月！

主动模式运行——让陶瓷“站在巅峰”

论文首先通过图1展示了核心创新理念——主动模式运行。不同于传统压电器件在室温下被动工作（图1B），研究团队将组成为x=0.4的PZT陶瓷集成进一个温控与偏压一体化模块中（图1A），通过局部恒温装置将样品始终维持在居里温度TC≈350°C，同时施加约20 V/mm的直流偏压，使原本随机取向的极化在临界状态下实现充分对齐。正是在这一“被精心维持”的四相点状态下，材料展现出惊人的压电响应。图1D显示，主动模式下的d₃₃高达约6850 pC/N，并通过锁相放大器方法交叉验证，结果一致。对比之下，商用PZT-5H约600 pC/N，PZT-8仅190 pC/N，而PMN-PT单晶约1600 pC/N。性能差距一目了然。更重要的是，图1E揭示该主动模式陶瓷在环境温度从室温变化至350°C过程中，压电性能几乎保持恒定；而传统PZT在升温过程中因热退极化出现不可逆衰减。这种“温度解耦”的设计，使材料的工作区间不再受限于本征热稳定窗口，而取决于外部热控能力。图1F进一步展示逆压电效应：在仅40 V/mm低电场下即可产生显著应变，且滞后几乎为零。这意味着未来驱动器可在更低电压下实现更大形变，兼容集成电路系统。

图1 主动模式QP陶瓷的工作原理与压电性能对比，展示超高d₃₃及温度稳定性。

四相点——热力学奇点带来的极限响应

图2A给出了修订后的PZ-xPT相图，在x=0.4、TC≈350°C处，立方相（C）、四方相（T）、单斜相（M）与菱方相（R3m）四相汇聚，形成一个四相点。沿TC线扫描（图2B、2C），可以看到在该点潜热趋近于零、热滞后消失，表明此处发生一阶到二阶转变的交叉——典型的三临界（tricritical）特征。正是这一三临界性质，使材料在图2D–G中呈现出一系列极值：d₃₃达到峰值约6850 pC/N；机电耦合系数k₃₃接近85%；介电常数高达21万；储能模量仅约23 GPa，接近聚合物水平。这种“超软晶格”意味着晶格对外场和应力高度敏感，极化方向几乎无能垒限制。离开四相点后，这些参数迅速回落，但仍受其影响保持较高水平。

图2 PZT相图中四相点的三临界特征及其对应的极值压电、介电与弹性性能。

显微证据——多相共存的“临界乳光”

图3通过透射电镜揭示微观结构差异。对比0.2PT与0.6PT（图3A、3C）可见明显相界与畴界，呈现典型一阶转变特征。而在x=0.4的QP状态（图3B），结构均匀、无明显界面，体现连续转变特征。更令人惊叹的是图3D–F：扫描会聚束电子衍射与超高分辨STEM图像显示，在纳米尺度上，C、T、M、R多相呈现弥散共存状态。这种类似液体临界点附近“乳光现象”的结构涨落，正是介电与压电响应巨幅放大的微观来源。

图3 透射电镜与电子衍射揭示QP处纳米尺度多相共存结构

理论模拟——极化各向同性的终极解释

图4的相场模拟为实验现象提供理论支撑。计算相图（图4A）同样在x=0.4处出现三临界QP。图4B显示热滞后在此消失；图4C、4D中d₃₃与介电常数均在QP处达到极值。更关键的是图4E：在QP处，极化呈各向同性分布，即不同晶粒即便随机取向，也可在较小电场下实现完全极化对齐；而在非QP区域，由于能量谷各向异性明显，晶粒间极化难以统一。这意味着，多晶材料在QP处获得类似单晶的协同响应，从根本上突破了“多晶不如单晶”的传统限制。

图4 相场模拟验证QP的三临界性质与极化各向同性机制。

小结

这项工作首次证明：真正的压电性能巅峰并非来自传统形貌相界（MPB），而是源于三临界四相点这一热力学奇点。通过主动模式将陶瓷稳定在该点运行，研究团队实现了多晶陶瓷d₃₃值的数量级跃升，并在宽温区保持稳定输出。这一策略不仅为高灵敏传感器、低电压驱动器、精密定位系统等带来革命性性能提升，也为未来压电材料设计提供了全新路线图——寻找并锁定三临界奇点。若未来能通过组分调控将QP温度进一步降低至室温附近，并实现微型化主动模块集成，压电器件有望进入真正的“超响应时代”。