钪掺杂PZN-PT单晶实现高矫顽场与优异温度稳定性的突破研究

本研究针对PZN-PT压电单晶矫顽场(EC)低、温度稳定性差等问题，通过高温熔盐法成功制备Sc3+掺杂的PSN-PZN-PT三元单晶，获得d33=1980 pC/N、Ec=6.3 kV/cm、Δd33%=2.8%的优异性能，为医疗超声等领域的器件开发提供新材料解决方案。

　　

在医疗超声诊断和声纳探测等领域，高性能压电材料犹如设备的"心脏"，其性能直接决定探测精度与可靠性。Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)单晶虽具有优异的压电系数(d₃₃)，却长期受困于"双低"困境：矫顽场(E_C)仅约2 kV/cm导致器件易退极化，且温度稳定性差制约其在宽温域应用。这就像拥有强大动力的发动机却配备脆弱的刹车系统，严重限制其工程化应用。

江西理工大学的研究人员独辟蹊径，将目光投向稀土元素钪(Sc³⁺)。受Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃(PSN)晶体高居里温度的启发，他们采用高温熔盐法成功制备出0.01PSN-0.925PZN-0.065PT(PSN-PZN-PT)三元单晶。这项突破性研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，为解决弛豫铁电体的性能瓶颈提供了新思路。

研究团队运用X射线衍射(XRD)分析相结构，通过压电力显微镜(PFM)观察畴结构，并系统测试了介电、铁电和压电性能。特别设计了从25℃至111℃的温度稳定性实验，通过Δd₃₃%=(d_{33 111℃}-d_{33 25℃})/d_{33 25℃}定量评估性能波动。

Phase structures部分揭示Sc³⁺掺杂引起(111)衍射峰左移，Sc³⁺(0.745?)取代Zn²⁺(0.74?)导致晶格膨胀。XRD精修显示晶体呈现菱方相与四方相共存特征，这种多相共存结构是性能提升的关键。

结论部分证实PSN-PZN-PT单晶实现性能"三突破"：矫顽场提升215%至6.3 kV/cm，远高于文献报道的Eu³⁺掺杂体系；保持1980 pC/N的超高压电系数；温度稳定性Δd₃₃%仅2.8%，铁电-铁电相变温度(T_f-f)达111℃。

该研究通过"稀土掺杂+三元设计"的创新策略，首次在PZN-PT体系中实现高E_C与高d₃₃的协同提升。其意义不仅在于创纪录的性能数据，更开辟了通过精确调控B位离子半径来优化弛豫铁电体性能的新途径。这种兼具"强健体魄"(高E_C)和"灵敏神经"(高d₃₃)的新型单晶，有望推动下一代超声换能器向更小尺寸、更高精度发展，特别是在深部组织超声成像等苛刻环境中展现应用潜力。