J. Mater. Chem. C: 西安交通大学任巍教授团队在钛酸铋钠薄膜中取得高应变响应

西安交通大学任巍教授课题组在英国皇家化学学会期刊Journal of Materials Chemistry C上发表封面文章，题目为“Giant strain responses and relaxor characteristicsin lead-free (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-BaZrO₃ferroelectricthin films”。本论文采用溶胶-凝胶法成功制备了(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xBaZrO₃(BNT-100xBZ)薄膜，通过构建铁电-弛豫相界显著提高BNT基薄膜的压电和应变响应，为微型器件的实用化提供了更多的可能。

(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基压电陶瓷材料在高精密驱动器和位移器等领域中具有广泛的应用前景，这得益于其优异的应变响应。以往的研究表明通过多相固溶和离子掺杂等方式可以显著提高BNT基陶瓷的应变响应和逆压电系数。这是因为通过这两种方式构建铁电-弛豫相界，在此相界铁电相与弛豫相共存，宏观铁电畴与纳米微区(PNRs)共存，电场诱导可逆铁电弛豫相变从而贡献了大的应变响应。此外BNT基陶瓷的应变响应还有一部分来源于逆压电效应和电致伸缩效应。为了满足器件微型化、高精密及大规模集成电路的要求，且能实现工业化大规模生产的需求，亟待发展具有大应变、小滞回的薄膜型铁电压电材料。

为了获得大应变响应的BNT基薄膜材料，目前还存在一些问题和挑战：(1)组分的精确把控，一旦失调导致组分偏离；(2)薄膜的制备方法对其电学性能影响很大，有时会导致较大的介电损耗和漏电流；(3)界面和衬底诱导的应变或缺陷等因素对薄膜的电学性能有显著影响。这些问题在本文章中都得到了解决和改善。在本论文中，作者采用溶胶-凝胶方法在Si衬底上旋涂BNT-100xBZ溶液，再经过热解和结晶过程，得到组分简单、结构致密和性能优异的BNT-100xBZ薄膜材料。本文中制备的BNT-100xBZ薄膜克服了薄膜材料高介电损耗和漏电流的缺点(tanδ~ 0.03)，推动该薄膜材料在器件中的应用。在BNT-4BZ薄膜获得了巨大的宏观应变值为1.31%，这一应变值远高于所报道的大部分压电薄膜材料的应变响应。BNT-4BZ组分具有不同于其他组分的铁电-弛豫相界，表现出更活泼的电畴翻转和畴壁运动行为，其大应变响应是由电畴运动和可逆铁电-弛豫相变共同作用决定的。

本文第一作者为西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生王哲；西安交通大学赵金燕副教授、牛刚教授和任巍教授为本论文的通讯作者；合作单位为中国科学院上海硅酸盐研究所王根水研究员，西安交通大学机械工程学院蒋庄德院士以及赵玉龙教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。

图1. (a) BNT-100xBZ薄膜的介电常数和损耗随频率的变化曲线；(b)漏电流曲线；(c)双边应变曲线；(d)单边应变曲线；(e, f)应变值和逆压电系数d₃₃^*随不同BZ含量的变化曲线；(g) BNT-4BZ薄膜在不同电场下的单边应变曲线。

图2. (a) BNT-100xBZ薄膜的电滞回线；(b)翻转电流曲线。

图3. (a) BNT-4BZ薄膜的畴结构示意图；(b)电场作用下电畴运动示意图。

论文链接：Zhe Wang, Jinyan Zhao, Gang Niu, Wei Ren, Nan Zhang, Kun Zheng, Yi Quan, Lingyan Wang, Jian Zhuang, Ming Liu, Henghui Cai, Xin Li, Genshui Wang, Zhuangde Jiang, Yulong Zhao, Giant strain responses and relaxor characteristics in lead-free (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-BaZrO₃ferroelectric thin films,J. Mater. Chem. C, 2022, 10, 7449-7459,https://doi.org/10.1039/D1TC05197K.