由广岛大学大学院先进理工系科学研究科助理教授Kim Sang-wook、黑岩芳弘教授，九州大学大学院工学研究院研究生宫内隆辉和佐藤幸生副教授，以及山梨大学大学院中和研究部的研究员Nam Hyunwook博士、藤井一郎副教授、上野慎太郎和田聪教授等组成的联合研究组成功合成了具有优异铁电性和压电性的无铅压电陶瓷材料。多年来，含铅压电材料一直用于智能手机和汽车等电子设备中使用的压电元件。 由于此次成功合成的材料不含铅，有望成为一种环保型压电材料。通过 SPring-8 的同步辐射 X 射线衍射 (SR-XRD) 和高分辨率透射电子显微镜 (TEM) 观察，阐明了一种在不含铅的情况下获得优异压电性能的新机制。
铁电压电材料的压电特性由来自晶体单元结构的本征贡献和来自铁电畴的外征贡献来表示。 人们普遍认为，除了基本贡献外，所有贡献都是由外在贡献共同造成的。当钛酸钡（BaTiO3：BT）和铁酸铋（BiFeO3：BF）固溶合成陶瓷时，人们发现陶瓷虽然看起来是具有特定化学成分的立方体，但仍表现出优异的铁电性。我们还发现它表现出与传统含铅锆钛酸铅 (Pb(Zr,Ti)O3:PZT) 相当的压电性。
施加电场下的结构分析结果表明，在占据钙钛矿结构 A 位的钡 (Ba) 和铋 (Bi) 离子中，Bi 离子略微偏离了 Ba 离子的理想原子位置。阐明了形成了表现出局部铁电性的纳米域，这些纳米域可以通过施加电场在场方向上对齐。这样，外在贡献之一是来自纳米域的贡献，通过增加这种贡献，可以设计一种不含铅的具有优异特性的压电材料。我展示了一种新材料设计指南，这是可能的。该研究成果于2023年2月6日发表在材料领域国际知名期刊《Advanced Materials》网络版上。
压电元件是现代社会必不可少的电子元件之一，例如执行器、声纳和传感器。 由于大多数压电元件都含有有害的铅，因此最近需要开发也使用环保、高性能无铅压电材料的压电元件。
课题组提出含Bi离子的BF-BT陶瓷可以作为下一代高性能无铅压电材料的候选材料。尽管 BF-BT 陶瓷作为环保压电材料很有前途，但人们一直缺乏对压电性发展机制的清晰物理理解。如果能够了解含Bi离子的无铅压电陶瓷优异压电性的起源，研究人员就可以为开发新型无铅压电材料提出材料设计指南，并开始这项研究。
图 1. (a) 极化和 (b) BT-BF 陶瓷的应变曲线
BF-BT陶瓷是将BF和BT的粉状原料混合成型，然后在高温下烧制而成。作为研究铁电和压电特性的结果，能够获得铁电体的极化和应变曲线特征，如图 1 所示。BF-BT陶瓷的自发极化超过了通常用作多层电容器材料的典型铁电材料BT，并且具有接近铅基压电材料PZT的压电性。
BF和BT都是具有微米尺寸畴的铁电体，但九州大学超显微分析研究中心通过高分辨率透射电子显微镜观察的结果，发现具有纳米尺寸畴的BF-BT陶瓷存在。进行同步辐射 X 射线衍射实验以阐明纳米域的起源。如图2所示，在占据钙钛矿结构晶胞角位A位的Ba离子和Bi离子中，只有Bi离子在晶轴方向上偏离了理想的原子位置发现在A位形成局部极化结构，这是纳米域的起源。
图 2. 陶瓷中纳米域的形成
表现出铁电性的压电材料的压电特性可以通过源自晶体单元结构的本征贡献和源自铁电畴的外在贡献来解释。 人们普遍认为，除了基本贡献外，所有贡献都是由外在贡献共同造成的。更精确的外部效应分类对于理解压电响应的起源很重要。因此，研究人员在电场下进行了 SR-XRD 实验，以估计它们各自对压电效应的贡献。在BT浓度为0.3和0.4的0.70BF-0.30BT和0.60BF-0.40BT陶瓷中，外在效应包括电场作用下纳米域中Bi离子的重排，如图3所示。
图 3. 电场下压电响应的内在/外在贡献百分比
虽然0.70BF-0.30BT陶瓷表现出最高的压电性能，但难以增加源自晶体单元结构的本征压电效应的贡献，通过增加贡献，该材料的压电性有望得到显着提高。这样，通过在晶体中引入结构无序的纳米域，并通过在电场下排列无序使极化方向与电场方向对齐，可以获得优异的高性能不含铅的压电材料。我知道它可以被开发。
在这项研究中，发现含有 Bi 离子而不是铅的 BF-BT 陶瓷可以作为铅基压电材料的替代材料，并首次解释了一种有助于铁电性和压电性的新极化机制。含有 Bi 离子的压电材料作为环保型压电材料已被许多团体研究。通过这项研究发现的形成纳米域并在电场下控制它们的新概念，课题组期望能够开发出具有更高性能的铁电和压电材料。
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