提高压电陶瓷电性能的非等效共掺杂策略

在航空航天领域，高温压电振动传感器是为数不多的能够在高温恶劣环境下进行监测的关键器件之一，因此开发以高性能高温压电陶瓷为核心的振动传感器显得尤为迫切。此类传感器的组成部分。 Bi 4 Ti 3 O 12 (BIT)作为铋层状结构铁电体(BLSF)的一种重要类型，由于其优异的675 ℃ T C，在高温环境中具有巨大的应用前景。

然而，BIT基陶瓷在烧结过程中Bi的挥发导致氧空位缺陷的产生，导致压电活性相对较低。所提出的B位非等价共掺杂策略已被证明是有效降低氧空位浓度并提高BIT基陶瓷综合电性能的有效途径。

中国深圳中山大学戴业静教授领导的研究小组最近报道了一种新的基于BIT的高温压电陶瓷的非等效共掺杂策略，以解决上述问题。

通过对BIT基陶瓷进行B位改性，通常很难同时获得高压电系数和高居里温度以及高温下大的电阻率。由于难以同时实现优异的电性能和良好的结构稳定性， d 33和T C之间似乎存在相互限制。本研究旨在通过采用高价Ta 5+和低价Cr 3+相结合的B位非等价共掺杂策略来协同优化这两个参数。

研究人员于 2024 年 2 月 21 日在《先进陶瓷杂志》上发表了他们的研究成果。

“在这项研究中，我们选择了高价Ta 5+和低价Cr 3+非等价共掺杂BIT陶瓷来解决无法实现高压电性能、高居里温度和高温电阻率的问题同时采用固相反应法合成了一系列Bi 4 Ti 3−x (Cr 1/3 Ta 2/3 ) x O 12陶瓷。

“系统地研究了样品的相结构、微观结构、压电性能和导电机制。结合高​​价 Ta 5+和低价 Cr 3+的 B 位非等价共掺杂策略显着增强了电性能，因为当掺杂量为0.03 mol时，陶瓷表现出26 pC·N -1的高压电系数和687 ℃的高居里温度。

“此外，该组合物在 500 ℃ 时的电阻率显着提高到 2.8×10 6 Ω·cm，并且在高达 600 ℃ 的温度下也获得了良好的压电稳定性。所有结果都表明 Cr/Ta 共掺杂 BIT 基陶瓷具有良好的性能。该论文的第一作者、中山大学材料学院博士生陈旋宇女士说：“该材料在高温压电应用中具有潜在的应用潜力。”

非等效共掺杂策略是提高BIT基陶瓷电性能的有效方法。通过非等价离子对的引入，有效降低了BIT陶瓷中氧空位缺陷的浓度，降低了晶粒生长的各向异性。这为进一步提高BIT基陶瓷的压电性能、推动其在高温传感领域的应用提供了新思路。

研究小组的下一步是在B位非等价共掺杂的基础上诱导A位离子，例如La 3+ 。 “我们预计A/B位共掺杂将进一步提高BIT基陶瓷的压电活性，然后我们将揭示与B位共掺杂相比，A/B位共掺杂对样品域结构的影响-现场非等效共兴奋剂，”陈女士说。

研究团队的目标是制造具有优异电性能、适合在高温下工作的铋层状压电陶瓷器件。