近日，广东以色列理工学院材料科学与工程系谭启教授（共同通讯作者）与四川大学合作在国际顶级期刊《自然-通讯》上发表题为“Excellent Hardening Effect in Lead-Free Piezoceramics by Embedding Local Cu-doped Defect Dipoles in Phase Boundary Engineering”的高水平论文，采用新策略实现无铅压电陶瓷的优异硬化效果，有望推动其在高功率应用中的发展。该研究获MATEC重点实验室开放研究项目资助，彰显了广以学者在国际材料研究领域的前沿地位。

　　《自然-通讯》是国际顶尖学术期刊《自然》旗下的子刊，也是材料化学等领域公认的高水平期刊，以严格的同行评审和学术影响力著称。该期刊在JCR分区中常年位列Q1， 2024年影响因子为14.7。

　　研究背景与问题

　　压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，它可以实现机械能与电能的相互转换，在工业和科技领域有着广泛应用，包括声波传感器、声波发生器、电子点火器、压力传感器等。传统含铅压电陶瓷（如PZT）因性能优异且大规模工业化生产，在市场中占据主导地位。然而，铅的毒性对环境有害，因此开发无铅压电陶瓷以替代含铅材料成为研究的重要趋势。其中，基于钾钠铌酸盐（KNN）的无铅压电陶瓷因其在相界工程、织构化、缺陷工程和复合陶瓷等方面取得的显著进展而备受关注，展现出较高的压电系数（d??）、电致应变和温度稳定性。

　　为了使KNN能够实现大规模工业化生产的高功率应用，压电陶瓷需要同时具备高d??和高机械品质因数（Q?），以确保良好的机电性能并减少能量耗散产生的热量。然而，平衡d??和Q?是一个重大挑战，因为它们对极化贡献的偏好不同。这种矛盾在KNN基压电陶瓷中尤为突出，传统的相界工程虽然显著提高了d??，但Q?却极低（<50），因此可能导致大量的机械损耗，限制了大规模生产的可行性。传统受主掺杂（如铜、锰）和新提出的孤立氧空位策略虽能提高Q?，但无法保证高d??， 影响了产品的机械性能，大规模生产于是无从谈起。

　　解决方案与成果

　　本研究提出了一种新的策略，对铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷进行研究，在多个方面取得了重要结果，通过在正交-四方相界工程（O-T PBE）中嵌入局部铜受主缺陷偶极子，实现了KNN基陶瓷的d??和Q?平衡。该策略保留了室温O - T相界，引入了二聚体(CuNb′′′-Vo??)'和三聚体(Vo??-CuNb′′′-Vo??)?缺陷。通过X射线吸收精细结构（XAFS）光谱和第一性原理计算，证实了三聚体缺陷的存在。保留的O-T相界和缺陷引起的局部结构不均匀性确保了高d33，二聚体缺陷形成的缺陷偶极子极化PD钉扎畴壁运动，提高了Qm。使得KNN - BNH - 1Cu样品优于其他典型KNN基压电陶瓷。

　　相结构和电滞回线行为

　　机电特性和电畴消长模型

　　结论

　　基于O-T PBE，通过引入铜受主掺杂，形成二聚体（????????′′′???????）′和三聚体（???????????????′′′???????）?缺陷。二聚体缺陷形成缺陷偶极子极化，钉扎畴壁运动；三聚体缺陷则引入局部结构异质性，导致纳米尺度多相共存和丰富的纳米畴。实验结果表明，当铜掺杂量x=1时，Q?提高了4倍，而d??仅降低了1/5（达到340 pC/N，Q?为256）。该策略为无铅压电陶瓷中d??和Q?的平衡提供了新的范式，有望推动其在高功率应用中的发展，推动无铅压电陶瓷在更多领域的实际应用。

　　论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58269-5

　　PROFILE

　　谭启(Daniel Tan)

　　材料科学与工程系教授、

　　副系主任

　　谭启教授于2018年8月由以色列理工学院招聘到广东以色列理工学院任教。他于1998年获得伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程博士学位，1989年获得中国科学院固体物理研究所博士学位，师从葛庭燧院士，曾任教于中国科学技术大学。1994年，谭启教授前往美国阿贡国家实验室及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校担任访问科学家。1998年，他加入霍尼韦尔国际公司，担任高级科学家并开发半导体行业所需的高K介电常数铁电材料。2000年，他受聘于CTS公司，担任高级工程师，负责开发高性能压电传感器和手机天线材料。随后12年，他就职于美国通用电气公司，致力于开创性纳米复合材料电子及储能的研究。2016年，他加入W.L. Gore担任高级科学家，进一步开展高温电容器和多空薄膜过滤技术的研究。

　　谭启教授发表、联合发表超过120篇期刊文章、2本大学教材、3本书籍章节及50份企业内部报告。作为一个创新者，他在陶瓷、聚合物、储能和电子器件领域拥有60项专利及商业秘密。作为企业及美国政府科技项目的首席科学家，率先开发了纳米绝缘介电复合材料、高温高能量密度电容器。谭启教授获得多个奖项，包括中国科学院自然科学奖一等奖，通用电气全球研究中心创新奖，2022年广东以色列理工学院最佳教学奖，2023年中国创新创业成果交易会最具投资价值科技成果奖等奖项。他同时还是MRS, ACERS, SPIE, iMAPS and IEEE等学术机构的成员及多家期刊的评审人。

中国教育在线林剑 实习编辑 李思锜

通讯员：蔡思岚