四相點奇跡！多晶PZT壓電系數(shù)飆升至6850 pC/N，性能提升30倍

在精密傳感、微型驅(qū)動器、柔性電子等前沿技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們對壓電材料提出了前所未有的性能要求：不僅要靈敏度更高、響應(yīng)更快，還要在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定工作。然而，傳統(tǒng)多晶壓電陶瓷長期受限于“先天體質(zhì)”——本征壓電效應(yīng)微弱、晶粒取向難以完全一致，導(dǎo)致壓電系數(shù)（d??）始終徘徊在200–600 pC/N區(qū)間。如何在兼具可規(guī)模化、低成本與集成優(yōu)勢的多晶陶瓷體系中，實現(xiàn)數(shù)量級躍升，成為壓電領(lǐng)域近70年的核心難題。

今日，甬江實驗室任曉兵教授、任帥研究員聯(lián)合西安交通大學(xué)楊陽副教授給出了突破性答案。研究團隊通過在特定組分的PZT陶瓷中鎖定一個“熱力學(xué)奇點”——四相點（quadruple point, QP），并引入主動模式（active-mode）調(diào)控模塊，使材料在居里溫度附近持續(xù)工作，從而獲得高達約6850 pC/N的巨壓電系數(shù)，是商用PZT陶瓷的10–30倍、PMN-PT單晶的約4倍。這一成果不僅刷新了多晶壓電材料的性能紀錄，也重新定義了壓電增強的理論路徑。相關(guān)成果以“Gigantic piezoelectricity in a polycrystalline ceramic actively maintained at a quadruple point”為題發(fā)表在《Science》上，郝彥雙、Dipak Kumar Khatua、Dong Wang和Jinghui Gao為共同第一作者。

值得注意的是，根據(jù)官網(wǎng)顯示，這篇文章從投稿到接收僅用了不到4個月！

主動模式運行——讓陶瓷“站在巔峰”

論文首先通過圖1展示了核心創(chuàng)新理念——主動模式運行。不同于傳統(tǒng)壓電器件在室溫下被動工作（圖1B），研究團隊將組成為x=0.4的PZT陶瓷集成進一個溫控與偏壓一體化模塊中（圖1A），通過局部恒溫裝置將樣品始終維持在居里溫度TC≈350°C，同時施加約20 V/mm的直流偏壓，使原本隨機取向的極化在臨界狀態(tài)下實現(xiàn)充分對齊。正是在這一“被精心維持”的四相點狀態(tài)下，材料展現(xiàn)出驚人的壓電響應(yīng)。圖1D顯示，主動模式下的d??高達約6850 pC/N，并通過鎖相放大器方法交叉驗證，結(jié)果一致。對比之下，商用PZT-5H約600 pC/N，PZT-8僅190 pC/N，而PMN-PT單晶約1600 pC/N。性能差距一目了然。更重要的是，圖1E揭示該主動模式陶瓷在環(huán)境溫度從室溫變化至350°C過程中，壓電性能幾乎保持恒定；而傳統(tǒng)PZT在升溫過程中因熱退極化出現(xiàn)不可逆衰減。這種“溫度解耦”的設(shè)計，使材料的工作區(qū)間不再受限于本征熱穩(wěn)定窗口，而取決于外部熱控能力。圖1F進一步展示逆壓電效應(yīng)：在僅40 V/mm低電場下即可產(chǎn)生顯著應(yīng)變，且滯后幾乎為零。這意味著未來驅(qū)動器可在更低電壓下實現(xiàn)更大形變，兼容集成電路系統(tǒng)。

圖1 主動模式QP陶瓷的工作原理與壓電性能對比，展示超高d??及溫度穩(wěn)定性。

四相點——熱力學(xué)奇點帶來的極限響應(yīng)

圖2A給出了修訂后的PZ-xPT相圖，在x=0.4、TC≈350°C處，立方相（C）、四方相（T）、單斜相（M）與菱方相（R3m）四相匯聚，形成一個四相點。沿TC線掃描（圖2B、2C），可以看到在該點潛熱趨近于零、熱滯后消失，表明此處發(fā)生一階到二階轉(zhuǎn)變的交叉——典型的三臨界（tricritical）特征。正是這一三臨界性質(zhì)，使材料在圖2D–G中呈現(xiàn)出一系列極值：d??達到峰值約6850 pC/N；機電耦合系數(shù)k??接近85%；介電常數(shù)高達21萬；儲能模量僅約23 GPa，接近聚合物水平。這種“超軟晶格”意味著晶格對外場和應(yīng)力高度敏感，極化方向幾乎無能壘限制。離開四相點后，這些參數(shù)迅速回落，但仍受其影響保持較高水平。

圖2 PZT相圖中四相點的三臨界特征及其對應(yīng)的極值壓電、介電與彈性性能。

顯微證據(jù)——多相共存的“臨界乳光”

圖3通過透射電鏡揭示微觀結(jié)構(gòu)差異。對比0.2PT與0.6PT（圖3A、3C）可見明顯相界與疇界，呈現(xiàn)典型一階轉(zhuǎn)變特征。而在x=0.4的QP狀態(tài)（圖3B），結(jié)構(gòu)均勻、無明顯界面，體現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)變特征。更令人驚嘆的是圖3D–F：掃描會聚束電子衍射與超高分辨STEM圖像顯示，在納米尺度上，C、T、M、R多相呈現(xiàn)彌散共存狀態(tài)。這種類似液體臨界點附近“乳光現(xiàn)象”的結(jié)構(gòu)漲落，正是介電與壓電響應(yīng)巨幅放大的微觀來源。

圖3 透射電鏡與電子衍射揭示QP處納米尺度多相共存結(jié)構(gòu)

理論模擬——極化各向同性的終極解釋

圖4的相場模擬為實驗現(xiàn)象提供理論支撐。計算相圖（圖4A）同樣在x=0.4處出現(xiàn)三臨界QP。圖4B顯示熱滯后在此消失；圖4C、4D中d??與介電常數(shù)均在QP處達到極值。更關(guān)鍵的是圖4E：在QP處，極化呈各向同性分布，即不同晶粒即便隨機取向，也可在較小電場下實現(xiàn)完全極化對齊；而在非QP區(qū)域，由于能量谷各向異性明顯，晶粒間極化難以統(tǒng)一。這意味著，多晶材料在QP處獲得類似單晶的協(xié)同響應(yīng)，從根本上突破了“多晶不如單晶”的傳統(tǒng)限制。

圖4 相場模擬驗證QP的三臨界性質(zhì)與極化各向同性機制。

小結(jié)

這項工作首次證明：真正的壓電性能巔峰并非來自傳統(tǒng)形貌相界（MPB），而是源于三臨界四相點這一熱力學(xué)奇點。通過主動模式將陶瓷穩(wěn)定在該點運行，研究團隊實現(xiàn)了多晶陶瓷d??值的數(shù)量級躍升，并在寬溫區(qū)保持穩(wěn)定輸出。這一策略不僅為高靈敏傳感器、低電壓驅(qū)動器、精密定位系統(tǒng)等帶來革命性性能提升，也為未來壓電材料設(shè)計提供了全新路線圖——尋找并鎖定三臨界奇點。若未來能通過組分調(diào)控將QP溫度進一步降低至室溫附近，并實現(xiàn)微型化主動模塊集成，壓電器件有望進入真正的“超響應(yīng)時代”。