鉍層狀結構高溫壓電陶瓷是重要的功能材料，其典型代表鈦酸鉍（Bi4Ti3O12，簡(jiǎn)稱(chēng)BIT）是國際上482 ℃高溫壓電振動(dòng)傳感器用壓電材料的首選，應用于航空航天、核能領(lǐng)域在高溫、高輻照、復雜振動(dòng)等嚴苛環(huán)境下對關(guān)鍵裝備的振動(dòng)監測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居里溫度（TC = 675 ℃）高，但其晶體結構決定自發(fā)極化方向受到二維限制導致壓電系數偏低（d33 < 7pC/N），高溫電阻率較低（ρ < 104 Ω·cm @ 500 ℃）導致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領(lǐng)域中的實(shí)際應用。 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團隊通過(guò)離子對效應和A/B位協(xié)同摻雜改性來(lái)提高BIT基陶瓷的壓電性能，并探究了結構與壓電性之間的構效關(guān)系。研究根據獨特的層狀晶體結構特點(diǎn)，運用等價(jià)離子對調控策略，設計出Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12壓電陶瓷體系。引入Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對后，顯著(zhù)抑制了導載流子的遷移，500 ℃時(shí)的直流電阻率提高了兩個(gè)數量級，達到1.2×107 Ω·cm；同時(shí)，Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對細化了鐵電疇結構，形成寬度為100nm~200 nm，有利于充分取向的條形鐵電疇。其中，x = 0.07的組成設計，獲得了最大壓電系數（d33為30.5 pC/N）且保持了高居里溫度（Tc為657 ℃），同時(shí)，定向鐵電疇具有優(yōu)異的溫度穩定性。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)CS Applied Materials & Interfaces上。 

　　研究根據BIT的鐵電性起源，采用A/B位協(xié)同摻雜的策略，設計了Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12壓電陶瓷體系。Ce/W/Nb協(xié)同摻雜顯著(zhù)增強了與d33相關(guān)的PFM面外響應信號，同時(shí)疇壁變?yōu)楣饣矫?，減弱釘扎效應，壓電性能也大幅提高；極化處理后，Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的鐵電疇沿外電場(chǎng)方向排列更加充分，且重新定向的鐵電疇具有不可逆性。研究采用協(xié)同摻雜的策略，獲得了一系列具有優(yōu)異壓電性能的BIT基陶瓷，最優(yōu)組分Bi3.97Ce0.03Ti2.98(WNb)0.01O12陶瓷的壓電系數d33高達40.2 pC/N，這是目前報道的BIT基陶瓷壓電系數d33最大值。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)dvanced Electronic Materials上。 

　　這兩類(lèi)系列BIT高溫壓電陶瓷材料正在進(jìn)行高溫壓電振動(dòng)傳感器的應用驗證，有望實(shí)現500 ℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國產(chǎn)化。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )面上項目的支持。 

　

       鉍層狀結構高溫壓電陶瓷是重要的功能材料，其典型代表鈦酸鉍（Bi4Ti3O12，簡(jiǎn)稱(chēng)BIT）是國際上482 ℃高溫壓電振動(dòng)傳感器用壓電材料的首選，應用于航空航天、核能領(lǐng)域在高溫、高輻照、復雜振動(dòng)等嚴苛環(huán)境下對關(guān)鍵裝備的振動(dòng)監測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居里溫度（TC = 675 ℃）高，但其晶體結構決定自發(fā)極化方向受到二維限制導致壓電系數偏低（d33 < 7pC/N），高溫電阻率較低（ρ < 104 Ω·cm @ 500 ℃）導致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領(lǐng)域中的實(shí)際應用。 

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團隊通過(guò)離子對效應和A/B位協(xié)同摻雜改性來(lái)提高BIT基陶瓷的壓電性能，并探究了結構與壓電性之間的構效關(guān)系。研究根據獨特的層狀晶體結構特點(diǎn)，運用等價(jià)離子對調控策略，設計出Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12壓電陶瓷體系。引入Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對后，顯著(zhù)抑制了導載流子的遷移，500 ℃時(shí)的直流電阻率提高了兩個(gè)數量級，達到1.2×107 Ω·cm；同時(shí)，Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對細化了鐵電疇結構，形成寬度為100nm~200 nm，有利于充分取向的條形鐵電疇。其中，x = 0.07的組成設計，獲得了最大壓電系數（d33為30.5 pC/N）且保持了高居里溫度（Tc為657 ℃），同時(shí)，定向鐵電疇具有優(yōu)異的溫度穩定性。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)CS Applied Materials & Interfaces上。 

研究根據BIT的鐵電性起源，采用A/B位協(xié)同摻雜的策略，設計了Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12壓電陶瓷體系。Ce/W/Nb協(xié)同摻雜顯著(zhù)增強了與d33相關(guān)的PFM面外響應信號，同時(shí)疇壁變?yōu)楣饣矫?，減弱釘扎效應，壓電性能也大幅提高；極化處理后，Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的鐵電疇沿外電場(chǎng)方向排列更加充分，且重新定向的鐵電疇具有不可逆性。研究采用協(xié)同摻雜的策略，獲得了一系列具有優(yōu)異壓電性能的BIT基陶瓷，最優(yōu)組分Bi3.97Ce0.03Ti2.98(WNb)0.01O12陶瓷的壓電系數d33高達40.2 pC/N，這是目前報道的BIT基陶瓷壓電系數d33最大值。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)dvanced Electronic Materials上。 

這兩類(lèi)系列BIT高溫壓電陶瓷材料正在進(jìn)行高溫壓電振動(dòng)傳感器的應用驗證，有望實(shí)現500 ℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國產(chǎn)化。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )面上項目的支持。 

　?。╝）BIT基陶瓷晶體結構示意圖，（b）和（c）為Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12陶瓷鐵電疇變化示意圖，（d）和（e）為Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12陶瓷中載流子遷移模型 

　?。╝）Bi4Ti2.93(Zn1/3Nb2/3)0.07O12陶瓷鐵電疇結構的TEM圖像，（b）和（c）分別是區域1和2的鐵電疇結構的TEM圖像，（d）、（e）、（f）和（g）分別為A、B、C和D區的衍射斑點(diǎn) 

　　PFM信號示意圖：（a）VPFM，（b）LPFM；Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12樣品的PFM測試結果：（c1）-（c4）和（e1）-（e4）分別為x = 0和x = 0.03樣品的VPFM幅值、VPFM幅值分布統計、VPFM相角、沿圖（c3）和（e3）中的劃線(xiàn)VPFM相角變化；（d1）-（d4）和（f1）-（f4）分別為x = 0和x = 0.03的LPFM幅值、LPFM幅值分布統計、LPFM相角、沿圖（d3）和（f3）中的劃線(xiàn)LPFM相角變化 

BIT基陶瓷中d33和Tc之間的關(guān)系總結。