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为解决压电陶瓷在高功率应用中，高压电系数（d33）和机械品质因数（Qm）难以平衡的问题，研究人员开展了在铌酸钠钾基压电陶瓷中嵌入局部铜受主缺陷偶极子的正交 - 四方相界工程研究，使Qm提升 4 倍，d33仅降 1/5，为无铅压电陶瓷性能优化提供新范式。
在科技飞速发展的当下，压电材料作为实现电能与机械能相互转换的关键材料，广泛应用于传感器、执行器、换能器以及能量收集器等众多领域，在生物医学工程、航空航天、无线能量传输等行业发挥着举足轻重的作用。其中，压电陶瓷以锆钛酸铅（
Pb(Zr,Ti)O3，PZT）为代表，凭借其优异的电学性能和大规模工业化生产的优势，占据了压电市场的主导地位。然而，随着环保意识的增强，铅（
Pb）的毒性问题日益受到关注，研发无铅压电陶瓷来替代含铅压电陶瓷迫在眉睫。
在众多无铅压电陶瓷中，铌酸钠钾（(K,Na)NbO3，KNN）基无铅压电陶瓷脱颖而出。科研人员通过相界工程（PBE）、织构化、缺陷工程以及复合陶瓷等手段，在提高其压电系数（d33）、电应变和温度稳定性方面取得了显著进展。但对于高功率应用的压电陶瓷而言，不仅需要高d33以确保良好的机电性能，还需要高机械品质因数（Qm）来减少能量耗散产生的热量。遗憾的是，d33和Qm之间存在权衡关系，实现两者的平衡极具挑战性，这一问题在 KNN 基压电陶瓷中更为突出。例如，传统的 PBE 策略虽能大幅提高d33，但Qm却极低；传统的受主掺杂和新提出的孤立氧空位策略虽能提高Qm，却无法保证高d33。
为了攻克这一难题，四川大学等机构的研究人员开展了一项关于在 KNN 基陶瓷中平衡d33和Qm的研究。他们提出了一种全新的策略 —— 在正交 - 四方相界工程（O-T PBE）中嵌入局部铜受主缺陷偶极子，并在0.95(K0.48Na0.52)NbO3?0.05(Bi0.5Na0.5)HfO3?0.2%molFe2O3?xmol%CuO陶瓷中进行验证。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为无铅压电陶瓷性能优化提供了新的方向。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过 X 射线衍射（XRD）分析陶瓷的晶体结构；二是利用透射电镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）观察微观结构和原子排列；三是借助第一性原理计算从理论层面揭示缺陷偶极子的形成机制；四是进行介电性能测试，获取陶瓷的介电常数、介电损耗等参数。
研究结果如下：
- 相结构：XRD 分析表明，所有样品均具有典型的钙钛矿结构。随着铜掺杂量的变化，衍射峰的位置和相对强度发生改变，x=1时似乎是一个临界点。通过对温度相关的介电性能分析发现，铜掺杂的 KNN-BNH 陶瓷在低温下出现了与相转变无关的介电异常，这是由于氧化铜的添加破坏了长程铁电有序，诱导了更多的局部结构异质性。Rietveld 精修结果证实了 O-T 相的共存，且随着铜掺杂量增加，T 相含量略有上升。
- 微观 - 介观 - 局部结构：多尺度结构研究发现，随着铜掺杂量增加，平均晶粒尺寸和相对密度增大。通过压电响应力显微镜（PFM）和 TEM/STEM 成像观察发现，铜掺杂量不同，铁电畴结构差异明显。KNN-BNH - 1Cu 样品具有高密度的纳米畴，有利于提高压电性能。同时，STEM - HAADF 测量和模拟极化矢量显示，该样品存在纳米级的 R/O 和 T 相共存，且局部结构存在明显的异质性。
- 机电性能：研究发现，随着铜掺杂量增加，d33逐渐降低，Qm先升高后降低，在x=1时性能最佳（d33=340pC/N，Qm=256），优于此前报道的 KNN 基陶瓷。通过对未极化样品的P?E回线研究发现，缺陷偶极子是导致陶瓷硬化效应的原因。
研究结论和讨论部分指出，本研究成功提出并验证了在 O-T PBE 中嵌入局部铜受主缺陷偶极子的策略，有效平衡了 KNN 基陶瓷中d33和Qm的发展。该策略保留了室温下的 O-T PBE，引入了二聚体(CuNb′′′?Vo?)′和三聚体(Vo?CuNbm?Vo?)?缺陷。保留的 O-T PBE 因局部结构异质性呈现纳米级多相共存和丰富的纳米畴，保证了高d33；三聚体缺陷增强了 Nb - O 键能和 T 相特征，二聚体缺陷形成的缺陷偶极子通过体效应和畴壁效应抑制畴切换，提高了Qm。KNN - BNH - 1Cu 样品的综合性能优于其他典型的 KNN 基压电陶瓷。这一研究成果为同时优化无铅压电陶瓷的d33和Qm提供了新的范式，有望推动高功率应用中无铅压电陶瓷的发展。
