當下，反鐵電材料已經廣泛應用于大位移驅動器、高功率脈沖電容器、能量存儲器件等元器件，并在航空航天、精密儀器以及高端裝備制造業等領域擁有廣闊的應用前景。
然而，由于傳統反鐵電材料普遍含鉛，這就勢必會帶來一定的環境安全隱患。因此，對于可替代傳統鉛基陶瓷材料的電子陶瓷材料的無鉛化研究，便成為了近年來材料領域的熱點之一。
盡管該領域的科學家們經過十余年艱苦卓絕的努力，極大地推動了無鉛反鐵電陶瓷材料的研究水平，但反鐵電相穩定性差、難以重復利用等關鍵性科學難題，仍一直困擾著無鉛材料的產業化應用。
如今，合肥工業大學材料科學與工程學院教授左如忠及其科研團隊為學界帶來了一個好消息：他們研發出了一種具有穩定反鐵電相結構的新型無鉛陶瓷材料，探明了其電致應變特性及結構機理，從而為未來無鉛反鐵電材料的進一步組成設計和結構研究奠定了理論和技術基礎。
環保呼喚無鉛
在反鐵電材料中，相鄰的兩個子晶格極化強度相等而極性相反，在宏觀上不呈現凈電偶極矩。在電場作用下，反鐵電相會被誘發為鐵電有序相，伴隨著相變過程，晶胞體積和極化強度均快速增加，因而反鐵電材料在大位移驅動器、高功率脈沖電容器、能量存儲器件等領域具有巨大的應用潛力。
在眾多反鐵電材料中，鋯酸鉛是最早被發現的，其在電場周期中表現出典型的雙電滯回線，并且能夠獲得高達0.8%的應變。鑒于其突出的電學性能，直到目前，鋯酸鉛基陶瓷仍然是研究和應用最為廣泛的反鐵電材料。
然而，由于鉛的使用會帶來嚴重的環境污染問題，故而國際上都對含鉛材料的研究與使用進行了限制。于是，開發出能夠取代鋯酸鉛基的無鉛反鐵電高性能陶瓷材料就成為近年來的研究熱點。
遺憾的是，無鉛反鐵電材料可選擇的余地非常有限。通常來說，被認為最有潛力的主要是鈦酸鉍鈉、鈮酸銀和鈮酸鈉三個體系。其中，鈦酸鉍鈉體系的結構機理被認定為是電場誘發的各態歷經弛豫鐵電相至鐵電相的轉變，而非早期認為的反鐵電相至鐵電相的相變；而鈮酸銀體系則因為含有貴金屬銀而制約了其應用潛力。
于是，研究人員便將目光聚焦到僅存的鈮酸鈉上。雖然鈮酸鈉備受關注，但它依舊存在缺陷：該陶瓷材料中的反鐵電相穩定性差，因和具有正交結構的鐵電相具有相似的自由能而常常在室溫下共存，導致其反鐵電性在電場周期中難以被重復利用。
“因此，如何有效穩定鈮酸鈉基無鉛陶瓷中的反鐵電相結構，并深入理解其電致應變特性及結構機理，對無鉛反鐵電材料的研究與市場應用有非常重要的意義，也成為領域內的一個研究熱點。”合肥工大材料科學與工程學院教授左如忠告訴《科學新聞》。
攻克業內難題
對此，左如忠率領團隊采用傳統固相合成技術，通過摻雜具有不同容差因子鈣鈦礦組成、形成結構缺陷等方式，成功制備出一種具有穩定反鐵電相結構的鈮酸鈉基無鉛陶瓷材料。
實驗發現，這一新型材料在電場周期中呈現出重復可利用的反鐵電相到鐵電相的相變特性、典型雙電滯回線特征的極化—電場（P-E）曲線，以及完全無負應變的豆芽狀應變—電場（S-E）曲線，從而證實該材料具有穩定的反鐵電性質和優異的電場誘發的電致應變特性。
與此同時，研究團隊還借助透射電子顯微鏡和原位/非原位同步輻射X射線衍射技術，對這種新型材料的電疇形貌、空間對稱性及其對電場響應的特征等進行了研究，探明了該材料的反鐵電性特征和應變機制。
經過進一步研究，課題組還發現，容差因子較小的組元有助于穩定反鐵電相，而容差因子較大的組元有助于穩定鐵電有序相。在鈮酸鈉基無鉛反鐵電陶瓷中，宏觀應變的特點是縱向應變為正值、橫向應變為負值，整個體積應變貢獻為20%。
“這一發現挑戰了人們對傳統鉛基反鐵電陶瓷材料在縱橫兩個方向上的應變都為正值的傳統認知。”左如忠解釋。
這項研究成果的誕生，為穩定鈮酸鈉陶瓷反鐵電性的機理及其技術路徑提出新的思路，在解決鈮酸鈉陶瓷反鐵電性難以利用這一技術和科學難題上邁出重要一步，為未來無鉛反鐵電材料的進一步組成設計和結構研究奠定了理論和技術基礎，有望推動鈮酸鈉基無鉛反鐵電陶瓷材料在大位移驅動器、能量存儲等技術領域的應用。相關成果也于近期發表于國際著名學術期刊《材料學報》。
創新永無止境
在電子陶瓷與器件研究領域里，左如忠及其團隊并不讓人陌生。
近年來，左如忠課題組圍繞新型無鉛鐵電、反鐵電以及壓電陶瓷材料的設計、制備及其工藝—結構—性能相互關系等一系列基礎問題完成了大量開創性工作，特別是在借助高分辨透射電子顯微鏡、高能同步輻射光源等先進技術手段探索無鉛壓電材料體系在宏觀電學性能和微觀、介觀結構、局域電子結構的相關性方面取得了重要進展。
在這些開創性工作基礎上，2016年，左如忠團隊成功發現和制備了具有鈣鈦礦結構的新型鈮酸鈉基三元系準同型無鉛無鉀鐵電、壓電陶瓷材料。該材料體系不僅具有環境友好和工藝友好的特征，還具有優異的電致應變特性和溫度不敏感的小信號壓電和機電性能，有望在高性能陶瓷驅動器、傳感器和換能器等領域獲得應用。
這支團隊之所以能夠屢創佳績，離不開背后為其提供源源不斷創新支持的“后盾”——合肥工大電子陶瓷與器件研究所（IECDs）。
電子陶瓷與器件研究所成立于2007年初，主要從事新型介電、鐵電和壓電等信息功能陶瓷塊材、電磁薄膜材料、功能厚膜材料、低維功能材料的合成技術、成型技術、燒結技術和理論，以及各種機、電、磁學等性能的表征及其在器件應用方面和無源器件集成技術方面的基礎研究和應用研發，特別是探索這一研究領域里具有新型結構和性能的材料體系，研究其在高頻通信領域以及智能結構和器件方面的應用潛力。
“研究所擁有廣泛的國內和國際學術交流與合作，有著良好的產學研合作基礎、科研環境和條件，追求一流的科研和一流的人才培養。”左如忠告訴記者。
目前，研究所有教授1人，副教授3人，講師1人，博士后1人以及博士生、碩士生近20人；近年來先后主持多項國家自然科學基金項目、教育部新世紀優秀人才項目、安徽省杰出青年基金項目及科技攻關項目等；在國際知名學術期刊發表SCI論文200余篇，獲得國家授權發明專利10余項……一股具備核心創新能力的科研新勢力，正冉冉升起。
然而，對于左如忠和他的團隊而言，一切只是開始，創新永無止境。
“我們將以此為基礎和指導，進一步通過組成設計和結構調控提高應變量并降低相變驅動電場，使鈮酸鈉基無鉛反鐵電陶瓷能夠獲得媲美含鉛反鐵電陶瓷的電學性能，實現在位移驅動器等電子器件中的商業化應用。”左如忠表示�！�
（作者之一夏瑞單位為合肥工業大學）