铋基钙钛矿型高温铁电压电晶体的研究进展、应用与展望

研究背景

压电材料可以实现机械能和电能的相互转换，是关键的基础性功能材料。随着科技的飞速发展，人类科学探索及生产活动从室温附近逐步拓展到高温环境中，航空航天、石油钻探、汽车、核反应堆、超高速飞行器等相关领域均对可用于高温条件下的压电材料及器件提出了巨大的市场需求。然而，当前主流压电材料，如Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）陶瓷和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃（PMN-PT）单晶使用温度上限较低，这成为限制压电材料走向更广阔应用前景的关键瓶颈。为了满足对高温压电材料日益增长的需求，寻找兼具高居里温度和高压电活性的材料成为研究的热点和难点，得到了国内外学者的广泛关注。在目前所发现的众多材料体系中，铋基钙钛矿固溶体因其具有独特的晶体化学特性，可以展现出优异的电学性能。本文综述了铋基钙钛矿型高温铁电压电材料在组分设计、单晶生长、结构分析、性能优化、机电换能器应用等方面最新研究进展，展望并分析了铋基钙钛矿高温压电材料的未来发展趋势。该工作为开发性能更为优异的新型高温铁电压电材料并探索其应用具有一定的指导意义。

成果简介

近期，西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室任巍教授团队与加拿大西蒙菲莎大学、东华大学以及其它合作单位发表系列文章，总结了铁电压电材料尤其是铋基钙钛矿型高温铁电压电材料领域的最新研究进展。

• 成果一以Recent Progress in Bismuth-Based High Curie Temperature Piezo-/Ferroelectric Perovskites for Electromechanical Transduction Applications为题，聚焦铋基钙钛矿型高温铁电压电陶瓷材料的开发、结构性能关系以及铋基高温压电材料在机电换能器领域的应用。相关工作发表于材料领域权威学术期刊Current Opinion in Solid State & Materials Science，论文的第一作者（通讯作者）为西安交通大学刘增辉副教授，通讯作者还包括加拿大西蒙菲沙大学叶作光教授、东华大学吴华副教授。

• 全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359028622000365?via%3Dihub

图1. 本论文的框架结构

图2. 铋基钙钛矿型铁电压电材料的室温压电系数和居里温度关系

• 成果二以High Curie Temperature Bismuth-Based Piezo-/Ferroelectric Single Crystals of Complex Perovskite Structure: Recent Progress and Perspectives为题，围绕铋基钙钛矿型高温铁电压电单晶的结构性能关系，着重讨论了铋基高温压电单晶的晶体化学与材料设计理念、单晶生长方法、电学性能以及畴结构。相关工作发表于晶体学权威期刊CrystEngComm并入选期刊封面，论文的第一作者（通讯作者）为西安交通大学刘增辉副教授，通讯作者还包括西安交通大学牛刚教授以及加拿大西蒙菲沙大学叶作光教授。

图3. 本论文的图文摘要

• 全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CE/D1CE00962A

• 成果三以Piezoelectric and Ferroelectric Materials: Fundamentals, Recent Progress, and Applications为题，从铁电压电材料的基本理论出发，系统梳理了锆钛酸铅（PZT）陶瓷、弛豫铁电单晶、无铅压电材料、高温压电材料和织构陶瓷的最新研究进展。在文末，总结了铁电压电材料在目前的主要应用领域并展望了其未来应用前景。该工作发表于Elsevier “化学、分子科学与化工”系列丛书Comprehensive Inorganic Chemistry - III, Solid State Inorganic Chemistry Including Supramolecular（主编J. Reedijk 和 K. Poeppelmeier教授）。本书章作者为西安交通大学刘增辉副教授、西安交通大学任巍教授、东华大学吴华副教授以及加拿大西蒙菲沙大学叶作光教授。

图4. 书章目录

• 全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128231449000698?via%3Dihub

团队介绍

任巍，国家级特聘教授，博士生导师，西安交通大学“领军学者”、电子学院铁性材料与集成器件研究所所长，西安交通大学国际电介质研究中心执行主任。先后承担了“863”项目和“973”课题、国家自然科学基金重点和面上项目以及科技部国际科技合作专项等项目，已发表学术论文300余篇，获中国发明专利30项和美国发明专利1项。现任国际铁电学顾问委员会委员、IEEE高级会员、IEEE-UFFC学会铁电委员会委员、IEEE-UFFC学会超声程序委员会TPC5委员和亚洲铁电联盟执委会委员。任巍教授现任中国物理学会电介质物理专业委员会秘书长、曾任国务院学位委员会第六届学科评议组电子科学与技术组成员、全国博士后管委会第七届专家组委员、中国物理学会电介质物理专业委员会主任委员。任巍教授也是多个国际会议的组织委员会和程序委员会的委员，并多次在国际会议上做特邀报告。曾获教育部科技进步二等奖（第一完成人）、中国高等学校发明奖二等奖和中国计量测试学会二等奖。

本课题组专注铁电压电材料的物性及其换能器的研制和应用。欢迎有相关需求的高校、科研院所以及企业的联系和合作。本课题组热烈欢迎海内外青年才俊加入，同时欢迎相关学科背景的同学报考硕士、博士研究生。联系方式：liu.z.h@xjtu.edu.cn