压电陶瓷是非常重要的信息电子功能陶瓷材料，在电子、通信、医疗和能源等方面具有十分广泛的应用。目前，市场上应用的压电器件主要以铅基压电陶瓷为主。近年来，随着环境保护的日益增加和人类对铅毒性的广泛关注促使了无铅压电陶瓷的发展，并且一些国际法律法规已明令限制甚至禁止含铅电子产品的使用。据报道，目前无铅压电陶瓷已应用于部分电子产品。
近日，正规买球十大平台刘其斌教授团队结合实验设计与模拟计算，通过两步合成和固相反应法制备了 (1-x)Ba(Hf0.02Ti0.98)O3-x(Y0.5Li0.5)GeO3 [(1-x)BHT-xYLG, x = 0~0.40 mol％] 无铅压电陶瓷，并且获得了优异的电学性能。这项研究发现，该体系中无铅压电陶瓷的电学性能是多重因素协同作用的结果，例如正交-四方相界、晶粒大小、铁电畴壁和缺陷偶极子等，而不是任何单一因素影响的结果。
研究结果表明，室温下所有样品均为纯ABO3钙钛矿结构和正交-四方共存相，晶粒呈现先增大后减小的趋势且在x = 0.16 mol% 时达到峰值，铁电畴宽度呈现相似的变化趋势；样品中出现了条状形、片状形、鱼骨形铁电畴，x = 0.20 mol% 时，样品显示为典型的单晶结构，电学性能受正交-四方相界、晶粒大小、铁电畴壁和缺陷偶极子的共同影响；x = 0 mol% 时，介电性能最佳：εr~1645, tanδ~2.42%；x = 0.08 mol% 时，铁电性能最佳：Pr~14.5536 μC/cm2, Ec~0.1105 kV/mm；x = 0.36 mol% 时电致应变性能最佳：Spol~0.0961%, Spos~0.0831%, Suni~0.0733%, Sneg~- 0.0130%；x = 0.16mol% 时，压电性能最佳：d33~371 pC/N, kp~43.03%, Qm~70.23。
该项研究成果以“A correlative study between the microstructure and electrical properties of lead-free piezoceramics (1-x)BHT-xYLG driven by the synergistic action of multiple factors”为题发表于Journal of the European Ceramic Society (JECS, Impact Factor 5.302)，该论文的第一作者是正规买球十大平台2020级博士研究生蔡恩培，通讯作者为正规买球十大平台刘其斌教授，该项研究得到了国家自然科学基金 (51602066) 和贵州省高层次创新人才计划 ((2015) 4009)的支持。论文链接https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.033。
图1 (I) 两步合成和固相反应过程中的晶粒生长机制，(II) 晶界 (GB)、铁电畴、铁电畴壁 (DW) 和极性纳米微区 (PNRs) 的示意图，(III) Li+和Y3+离子掺杂到晶格内B (Ti4+) 位点的示意图，以及阳离子缺陷、阴离子缺陷和带电缺陷偶极子 的形成和排列示意图， (Ⅳ)带电缺陷偶极子 在有和无外部电场 (E) 情况下的排列示意图， 其中大箭头表示铁电畴的自发极化方向 (Ps)，带箭头的小矩形表示缺陷偶极子的极化方向 (Pd)，Pd倾向于沿 Ps平行排列或反向平行排列。
图2 (1-x)BHT-xYLG (x = 0.20 mol%) 无铅压电陶瓷的 TEM 图像，(a) 聚焦电子束切割图像的横向表面和纵向截面示意图，(b) 图 (a) 中纵向截面的选区形貌， (c) 图 (b) 的高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像，(d) 图 (b) 中白色虚线矩形区域 ① 的选区电子衍射 (SAED) 图谱，(e) 图 (b) 中白色虚线矩形区域 ② 的SAED 图谱，(f) 图 (c) 中白色虚线矩形区域 ③ 的SAED图谱 , (g) 图 (b) 的高角度环形暗场 (HAADF) 像，(h)~(m) 分别对应图 (g) 中的 Ba, Hf, Ti, Y, Ge, O的元素分布，(n) 和 (o) 图 (b) 中的中脊左右两侧的铁电畴宽度统计分布图，(p) 图 (d) 和图 (e) 中晶面和晶带轴的直观展示图。
图3 (1-x)BHT-xYLG (x = 0 (a)-0.40 mol% (l)) 无铅压电陶瓷在 f = 100~1M Hz 下测量的 εr-T和 tanδ-T曲线。
图4 (a~d) (1-x)BHT-xYLG(x = 0-0.40 mol%) 无铅压电陶瓷的室温成分依赖铁电电滞 (P-E) 回线、电流-电场感应 (I-E) 回线、双极电致应变 (BS-E) 回线和单极电致应变 (US-E) 曲线。
图5 (a~c) (1-x)BHT-xYLG (x = 0-0.40 mol%) 无铅压电陶瓷在室温下的d33、kp和Qm随x的变化图谱，(d) 温度-成分相图。