压电材料因能实现电能与机械能之间的相互高效转换而被广泛应用在智能汽车、航空航天、无损检测、医疗成像及先进制造等领域。目前广泛应用的铅基压电材料虽已具有优异的压电性、热稳定性以及成熟的工艺，但是其含铅量普遍大于60wt%，而铅因其对环境和人类的毒性近年来已被世界多个重要经济体限制使用。因此，科研界及工业界都在致力于研发环境友好型高性能无铅压电材料。其中，开发出具有极低迟滞的高电致应变性能同时具有优异疲劳特性的无铅压电材料以满足精密光学仪器、超精密控制及加工等先进制造领域的需求显得尤为迫切。
近期西安交通大学任晓兵教授团队、新南威尔士大学王丹阳博士团队以及加州大学尔湾分校潘晓晴教授课题组通过紧密合作，首先利用相场模拟在铁电四相点附近引入点缺陷，得到了稳定的多相共存铁性玻璃态。这一奇异的多相共存铁性玻璃态具有低能垒，大饱和极化强度等特性，有利于极性纳米畴的快速翻转，有望获得低迟滞高电致应变性能 （见图1b）。而后通过在高性能无铅锆钛酸钡钙Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3（缩写为xBCT）压电体系中引入微量的不等价Bi掺杂成功诱发了四相点附近的弛豫铁电体（也可称为铁性玻璃），如图2b所示，其中铁电玻璃态的局部结构对称性是通过会聚束电子衍射（CBED）和 高分辨扫描透射显微镜（STEM）等实验结果共同确定的。研究发现：1Bi-30BCT的局部结构对称性是菱方相；而1Bi-40BCT室温附近是四方玻璃态，而后随着温度降低逐渐转变为正交玻璃态。通过对中间成分1Bi-36BCT的STEM ABF图像中Ti-O相对位移矢量进行分析，可发现该临近四相点成分存在四方相（T）、正交相（O）和菱方相（R）的极性纳米区域（图3）。有意思的是当成分逐渐靠近该多相共存铁电玻璃态时，电致应变逐渐增大到最大值~0.21%且应变迟滞基本为0（图2c）。这种多相共存铁电玻璃态成分相比于周围其他成分具有高的介电常数（ε）和高的最大极化（Pm）。同时该成分具有的大电致伸缩系数0.061 m4 C-2， 优于大多数的压电材料。1Bi-36BCT压电陶瓷的无迟滞大电致应变主要来源于其大电致伸缩系数和多相共存铁性玻璃态的协同贡献。另外1Bi-xBCT压电陶瓷具有很好的抗疲劳特性，电致应变性能在105次疲劳循环测试下没有明显衰减。如图4所示，通过对比无铅和经典的铅基压电材料发现1Bi-36BCT具有优异的综合性能（高电致应变，极低的迟滞和高的电致伸缩系数）。该研究通过构建多相共存铁电玻璃态的新机制，为无铅压电材料获得极低迟滞的大电致应变性能提供了新的设计方向。
近日，相关研究成果以“Large electrostrain with nearly-vanished hysteresis in eco-friendly perovskites by building coexistent glasses near quadruple point”为题发表于国际著名期刊Nano Energy（IF：17.881）上。该论文第一作者是西安交通大学博士生何利强，第一通讯作者是西北工业大学张乐副教授，共同通讯作者是西安交通大学张立学教授和任晓兵教授。该项研究得到了国家自然科学基金，中国“111”计划2.0，长江学者和创新团队计划和中央高校基本科研业务费以及新南威尔士大学数字电网未来研究院、加州大学尔湾分校材料研究中心（IMRI）国家科学基金（DMR-2011967）的支持。
图1. 掺杂前后四相点成分在降温过程中的相结构演化、性能及能垒转变示意图（相场模拟计算）。通过相场模拟发现，在四相点处引入非等价点缺陷后，在较宽的温度范围内可以获得稳定存在的多相共存纳米区域。
图2.（a）未掺杂xBCT体系相图（x=20-45）和（b）经过1% Bi掺杂后xBCT的玻璃态相图，以及不同玻璃态成分的室温电致应变曲线（测试电场：60 kV/cm）。随着成分逐渐靠近多相共存铁电玻璃态成分1Bi-36BCT，电致应变逐渐增大到~0.21%且迟滞基本为0。
图3. （a，b）1Bi-xBCT压电陶瓷的室温介电常数和最大极化强度随成分变化图；（c）钙钛矿结构中四方（T），正交（O）和菱方（R）的极化方向示意图；（d，e，f）1Bi-36BCT的STEM ABF图中T，O，R的分布图。
图4. 在60kV/cm的电场下，1Bi-36BCT压电陶瓷和其他无铅以及经典铅基压电陶瓷的电致应变、应变迟滞和电致伸缩系数对比图。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521007722
张乐，西北工业大学副教授，澳大利亚UNSW Sydney大学研究员。
长期致力于铁电、压电、储能等电介质材料以及铁性功能等材料的研究，迄今为止共在Advanced Functional Materials，Physical Review Letters，Nano Letters，ACS Applied Materials & Interfaces ，Physical Review Applied，Physical Review B，Scripta Materialia，Applied Physics Letters等期刊上发表高水平论文十余篇，共被SCI索引300余次。获邀参加多次本领域高水平国际会议并作邀请/口头报告，主持国家自然科学青年基金等项目。
研究方向：铁电/压电陶瓷、功能薄膜、电介质储能以及铁弹铁磁功能材料、新型制冷材料及技术等
电子邮箱：le.zhang@nwpu.edu.cn
办公地址：西北工业大学长安校区
个人主页：https://teacher.nwpu.edu.cn/lezhang
张立学，西安交通大学教授，博士生导师。
研究方向包括压电和电致应变陶瓷、电介质储能和巨介电材料等。迄今为止共在Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. B, Acta Mater., NPG Asia Mater, Nano Energy等期刊上发表SCI论文50余篇，共被SCI引用1200余次，第一作者文章（Phys. Rev. B 2006）单篇最高引用220余次；研究成果被收入美国工程院院士L. E. Cross教授编写的学术专著《Domain in Ferroic Crystals and Films》。
研究方向：电介质储能（无机陶瓷和有机聚合物）、压电和电致应变陶瓷、巨介电材料等。
电子邮箱：lxzhang@mail.xjtu.edu.cn
办公地址：西安交通大学兴庆校区
个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/lxzhang/3
任晓兵，西安交通大学教授，博士生导师、日本NIMS主任研究员。
长期致力于对温度、力、电、磁等外界环境响应的智能材料研究。在形状记忆合金、铁电/压电材料、铁磁/磁致伸缩材料等多个领域都取得了重要成果。在国际期刊上已发表200多篇论文，其论文被SCI引用超过11800次。其中，单篇引用率最高超过2100次，为形状记忆合金领域世界排名第一；有4篇论文引用率超过400次。受邀参加三十余次国际会议并作邀请报告。曾获日本金属学会“杰出青年奖”（1998）、日本“21世纪先驱基金(Sakigaka-21)” （2001）、日本科学城筑波的“筑波杰出青年科学家奖”（2005）、日本金属学会“功勋奖”（2011）等奖励，及国家自然科学二等奖（2016）。
研究方向：对温度、力、电、磁等外界刺激敏感响应的各类智能材料，包括形状记忆合金、高性能无铅压电材料、铁磁材料/铁磁相变、巨磁致伸缩材料、多铁材料；对铁性智能材料中点缺陷的作用和铁性智能材料中的玻璃行为（应变玻璃/弛豫铁电体/铁磁自旋玻璃）有着深入研究。
电子邮箱：ren.xiaobing@mail.xjtu.edu.cn
办公地址：西安交通大学曲江校区
个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/jyc.xjtu
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