通过调控晶格应力分布优化BF-BT陶瓷畴结构与开关行为以实现电致应变最大化

本研究针对无铅BiFeO3-BaTiO3（BF-BT）陶瓷中晶格应力与电致应变关系不明的难题，通过K/Na铌酸盐共掺杂策略设计BF-BT-KxN1-xN体系，利用AC-STEM与GPA证实应力分布可调，结合PFM/SS-PFM发现非均匀应力促进畴微细化并增强局域压电响应，最终使BF-BT-K0.7N0.3N宏观电致应变提升34.2%，为高性能传感器/驱动器设计提供新范式。

　　

无铅BiFeO₃-BaTiO₃（BF-BT）陶瓷因其优异的电学性能在电子器件中具有广阔应用前景。尽管精准选择化学掺杂剂已被证明是优化电致应变性能的有效手段，但掺杂引起的局部晶格畸变所产生的晶格应力长期被忽视，导致应力与电致应变间的关联机制模糊。为破解这一科学难题，研究人员设计了K/Na铌酸盐共掺杂的BiFeO₃-BaTiO₃-K_xNa_1-xNbO₃（BF-BT-K_xN_1-xN）陶瓷体系，通过调节K⁺/Na⁺比例实现晶格应力定向调控。

借助球差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）和几何相位分析（GPA），研究团队证实改变K⁺/Na⁺比例可有效调节晶格应力分布。结合压电力显微镜（PFM）和开关谱PFM（SS-PFM）分析发现，晶格应力不仅促进电畴微细化，且非均匀分布的应力显著增强局部压电响应。此外，这种应力不均匀性可降低畴壁运动能垒，强化电畴开关行为，从而提升宏观电致应变——其中BF-BT-K_0.7N_0.3N样品表现最优，其电致应变值较等量单掺杂钠铌酸盐体系提升34.2%，彰显出晶格应力工程相对于传统成分设计的优越性。

该研究首次建立了“晶格应力-畴开关-电致应变”的关联机制，为高灵敏度传感器与驱动器的设计提供了新理论框架与技术路径。