DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56074-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837848
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Lifeng Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الفيروكهربائية والبيزوكهربائية
نظرة عامة
تركز الأبحاث على تطوير السيراميك القائم على (K,Na)NbO3، والتي تُعتبر مواد بيزوكهربائية واعدة خالية من الرصاص، ومع ذلك فإن أدائها لا يزال أقل من البدائل المحتوية على الرصاص. تُفيد الدراسة بتحقيق معامل شحنة بيزوكهربائية فائق الارتفاع ($d_{33} \sim 807 \, \text{pC/N}$)، ومعامل اقتران كهروميكانيكي طولي مرتفع ($k_{33} \sim 88\%$)، ودرجة حرارة كوري ($T_c \sim 245 \, °C$) في نظام (K,Na)(Nb1-xSbx)O3-Bi0.5Na0.5ZrO3-BiFeO3 (KNN-xSb). يُعزى هذا التحسين إلى المرونة الهيكلية الناجمة عن التفاعلات الكولومبية القوية بين أيونات K⁺/Na⁺ وSb، بالإضافة إلى تحسين اتجاه الحبيبات الذي يسهل إزاحة الكاتيونات في موقع B.
يظهر المركب البيزوكهربائي KNN-5Sb/الإيبوكسي 1-3 أداءً متفوقًا، مع عرض نطاق يبلغ 60% وجهد خرج أعلى مقارنةً بـ PZT-5 التجاري وبدائل KNN الأخرى. تشير هذه النتائج إلى أن سيراميك KNN-5Sb المنسوج يمكن أن يكون بديلاً قابلاً للاستخدام لسيراميك البيزوكهرباء القائم على الرصاص في تطبيقات كهروميكانيكية متنوعة، مثل أجهزة الاستشعار فوق الصوتية والمحولات. تُبرز الحاجة الملحة لتطوير سيراميك بيزوكهربائي عالي الأداء خالٍ من الرصاص المخاوف البيئية المرتبطة بمواد الرصاص والطلب المتزايد على البدائل المستدامة في السوق.
طرق
توضح قسم الطرق الإجراءات التجريبية والمحاكاة الحقلية المستخدمة في الدراسة. تتوفر أوصاف مفصلة لهذه المنهجيات في المعلومات الداعمة، والتي تهدف إلى تعزيز إمكانية إعادة إنتاج نتائج البحث وشفافيتها. يسمح دمج كل من الأساليب التجريبية والحسابية بإجراء تحليل شامل للظواهر قيد التحقيق، على الرغم من عدم توضيح التفاصيل المحددة في هذا القسم.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول سيراميك R-KNN-xSb وT-KNN-xSb عن رؤى هامة حول تأثيرات أيونات Sb ذات الكهربية العالية على الخصائص الهيكلية والبيزوكهربائية. أشار تحليل المجهر الإلكتروني الناقل ذو المجال المظلم ذو الزاوية العالية (HAADF-STEM) إلى أن إدخال أيونات Sb يؤدي إلى تكوينات استقطاب متعددة في سيراميك R-KNN-5Sb، مما يعزز المرونة الهيكلية مقارنةً بـ R-KNN-0Sb، الذي أظهر تكوينات استقطاب محدودة. كانت إزاحة الاستقطاب للكاتيونات في موقع B أقل بكثير في R-KNN-5Sb بسبب التفاعلات الكولومبية القوية بين أيونات Sb وكاتيونات K/Na، مما أدى إلى تقليل الاستقطاب التلقائي. في المقابل، عرضت سيراميك T-KNN-5Sb توجيهًا سائدًا <001>، يُعزى إلى انخفاض طاقات الواجهة وحدود الحبيبات، مما يعزز أيضًا محاذاة الكاتيونات في موقع B.
حقق سيراميك T-KNN-5Sb معامل بيزوكهربائية فائق الارتفاع ($d_{33} = 807 \, \text{pC/N}$) ومعامل اقتران كهروميكانيكي طولي كبير ($k_{33} \approx 88\%$)، متفوقًا على كل من سيراميك R-KNN-xSb ومركبات PZT-5 التجارية. يرتبط الأداء المحسن بتأثيرات تآزرية للمرونة الهيكلية واتجاه الحبيبات، مما يسهل محاذاة المجال واستجابة الاستقطاب الفعالة. بالإضافة إلى ذلك، أظهر T-KNN-5Sb معامل درجة حرارة مرتفع ($T_c \approx 245 \, °C$) ورقم جدارة كبير ($d_{33} \times g_{33} \approx 64.7 \times 10^{-12} \, \text{m}^2/\text{N}$)، مما يشير إلى إمكانيته في تطبيقات المحولات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن سيراميك T-KNN-5Sb يمكن أن يكون بديلاً قابلاً للاستخدام للمواد التقليدية القائمة على PZT في التطبيقات البيزوكهربائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56074-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39837848
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Lifeng Zhu et al.
Primary Topic: Ferroelectric and Piezoelectric Materials
Overview
The research focuses on the development of (K,Na)NbO3-based ceramics, which are recognized as promising lead-free piezoelectric materials, yet their performance remains inferior to lead-containing alternatives. The study reports the achievement of an ultrahigh piezoelectric charge coefficient ($d_{33} \sim 807 \, \text{pC/N}$), a high longitudinal electromechanical coupling factor ($k_{33} \sim 88\%$), and a Curie temperature ($T_c \sim 245 \, °C$) in the (K,Na)(Nb1-xSbx)O3-Bi0.5Na0.5ZrO3-BiFeO3 (KNN-xSb) system. This enhancement is attributed to structural flexibility arising from strong Coulomb interactions between K⁺/Na⁺ and Sb ions, as well as improved grain orientation that facilitates the displacement of B-site cations.
The textured KNN-5Sb/epoxy 1-3 piezoelectric composite exhibits superior performance, with a bandwidth of 60% and higher amplitude output voltage compared to commercial PZT-5 and other KNN variants. These findings indicate that textured KNN-5Sb ceramics could serve as viable replacements for lead-based piezoceramics in various electromechanical applications, such as ultrasonic sensors and transducers. The urgency for developing high-performance lead-free piezoelectric ceramics is underscored by environmental concerns associated with lead materials and the increasing demand for sustainable alternatives in the market.
Methods
The section on Methods outlines the experimental procedures and phase-field simulations utilized in the study. Detailed descriptions of these methodologies are available in the supporting information, which serves to enhance the reproducibility and transparency of the research findings. The integration of both experimental and computational approaches allows for a comprehensive analysis of the phenomena under investigation, although specific details are not elaborated in this section.
Results
The results of the study on R-KNN-xSb and T-KNN-xSb ceramics reveal significant insights into the effects of high-electronegativity Sb ions on structural and piezoelectric properties. High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) analysis indicated that the introduction of Sb ions leads to multiple polarization configurations in R-KNN-5Sb ceramics, enhancing structural flexibility compared to R-KNN-0Sb, which exhibited limited polarization configurations. The polarization displacement of B-site cations was notably lower in R-KNN-5Sb due to the strong Coulomb interactions between Sb ions and K/Na cations, resulting in reduced spontaneous polarization. In contrast, T-KNN-5Sb ceramics displayed a predominant <001> orientation, attributed to decreased interface and grain boundary energies, further promoting B-site cation alignment.
The T-KNN-5Sb ceramic achieved an ultrahigh piezoelectric coefficient ($d_{33} = 807 \, \text{pC/N}$) and a large longitudinal electromechanical coupling factor ($k_{33} \approx 88\%$), outperforming both R-KNN-xSb ceramics and commercial PZT-5 composites. The enhanced performance is linked to the synergistic effects of structural flexibility and grain orientation, which facilitate effective domain alignment and polarization response. Additionally, T-KNN-5Sb exhibited a high temperature coefficient ($T_c \approx 245 \, °C$) and a significant figure of merit ($d_{33} \times g_{33} \approx 64.7 \times 10^{-12} \, \text{m}^2/\text{N}$), indicating its potential for transducer applications. Overall, the findings suggest that T-KNN-5Sb ceramics could serve as a viable alternative to traditional PZT-based materials in piezoelectric applications.