近日，我校张联盟院士团队与澳大利亚伍伦贡大学、西安交通大学科研团队合作，报道了掺杂剂在铌酸钾钠（K0.5Na0.5NbO3，KNN）无铅压电陶瓷中对原子尺度结构、宏观相结构以及性能的影响与贡献，对新型压电陶瓷的设计与制备提供了新的思路。该研究成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO3 ceramics”为题，发表在《自然 通讯》(Nature communications)上。
压电陶瓷材料可以将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能，因此被广泛应用于机电转换领域。近年来，人们环保意识和健康意识的增强，无铅压电材料得到了快速发展。在KNN压电陶瓷材料中，多元素掺杂是一个重要的研究方向，但其掺杂剂与微观结构、宏观结构和性能的关系一直难以建立，限制着新型压电材料的设计与制备。探索掺杂剂与微观、宏观和性能的关系，将有助于加深对压电陶瓷掺杂改性机制的理解，并进一步设计新型的压电陶瓷材料。
合作团队采用双球差校正电镜分析技术，对所制备的多元掺杂KNN陶瓷进行原子结构表征，发现掺杂剂诱导的四方相宏观结构中存在大量的小角度极化区域。通过模拟分析表明，小角度的极化矢量区域比大角度的极化矢量区域更容易在电场下发生变化，并促进整体结构的变化，说明多元掺杂形成的宏观四方相结构，可以显著提高材料的压电性能。作者认为这种结构的演变广泛存在于压电陶瓷以及其它功能材料中，为提升材料的性能提供了新途径。
材料复合新技术国家重点实验室高潇逸博士为该论文的第一作者，实验室沈强教授、吴劲松教授，西安交通大学李飞教授、伍伦贡大学张树君教授为本文的共同通讯作者。