转载自郭金明教授团队在压电与介电陶瓷领域取得进展-湖北大学新闻网
近日，湖北大学材料科学与工程学院郭金明教授团队在国际期刊《Advanced Energy Materials》先后发表题为“Ultra-Low Dielectric Loss and High Depolarization Temperature Achieved in (K,Na)NbO3-Based Piezoceramics via Modulating Carrier Migration and Domain Dynamics”和“Defect Pinning and Oxygen Octahedral Tilting Drive the Antiferroelectric-Like Response in Relaxor Ferroelectrics”的研究成果。博士研究生杨滨和郑子豪分别为两篇论文的第一作者，郭金明教授为通讯作者。
压电陶瓷广泛应用于传感、驱动及能量转换等领域。(K,Na)NbO3（KNN）基无铅压电陶瓷兼具较高居里温度和良好压电性能，但仍存在介电损耗偏高及热稳定性不足等关键问题。针对该问题，研究团队通过系统调控载流子迁移行为与铁电畴动力学，实现材料多性能协同优化。在材料基体中掺杂适量CuO形成氧空位，构建的缺陷偶极子在畴壁附近产生显著钉扎效应，有效抑制极化翻转及畴壁运动，从而降低介电损耗。同时，CuO作为烧结助剂促进材料致密化，进一步抑制电导损耗。运用原位透射电镜发现在KNN基无铅压电陶瓷中形成了多级铁电畴构型，其中有序铁电畴与高密度畴壁协同作用，使其在较高温度范围内保持结构稳定，从而显著提高材料的退极化温度。研究结果表明，在0.3 mol% CuO掺杂条件下，所制备的KNN基无铅压电陶瓷实现了超低介电损耗（tan δ~0.3%）、优异压电性能（d33~264 pC/N）以及高退极化温度（Td~285 °C），并在20–285 °C范围内表现出良好的热稳定性。此外，该材料还展现出优异的抗热老化性能和时间稳定性，在高温及长时间工作条件下仍能保持较高的压电响应。
在高性能脉冲功率系统中，介电陶瓷电容器因其超高功率密度和快速充放电能力，具有不可替代的优势。研究团队通过在等原子比的中高熵弛豫铁电体中引入Pb元素，成功诱导出具有高储能潜力的类反铁电束腰状电滞回线。Pb的引入诱导出高密度位错，原子尺度结构分析表明位错附近存在显著的局域极化增强。运用环形明场像与积分差分相位衬度像技术对氧原子柱直接成像，发现陶瓷中存在有序的氧八面体倾转模式。在透射电镜中原位加载电场，直接观测到电场驱动下氧八面体倾转模式在a0a0c–与a0a0a0之间的可逆转变，从而将微观结构演化与宏观电学响应精准关联。研究表明缺陷钉扎效应抑制了极化翻转，而电场诱导的氧八面体倾转模式可逆转变直接导致了低场下电滞回线的束腰现象。该研究从原子尺度揭示了弛豫铁电体中类反铁电行为的起源，为通过调控缺陷与氧八面体倾转设计介电储能材料提供了新策略。
郭金明教授团队长期致力于铁电压电陶瓷、介电储能材料和球差校正电镜表征技术研究，近五年在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Advanced Energy Materials》等期刊发表论文80余篇。