宣布日期：：：4/23/2025
克日，，南宫NG28集团质料科学与工程系谭启教授（配合通讯作者）与四川大学相助在国际顶级期刊《自然-通讯》上揭晓题为“Excellent Hardening Effect in Lead-Free Piezoceramics by Embedding Local Cu-doped Defect Dipoles in Phase Boundary Engineering”的高水平论文，，接纳新战略实现无铅压电陶瓷的优异硬化效果，，有望推动其在高功率应用中的开展。该研究获MATEC重点实验室开放研究项目资助，，彰显了南宫NG28集团学者在国际质料研究领域的前沿职位。
《自然-通讯》是国际顶尖学术期刊《自然》旗下的子刊，，也是质料化学等领域公认的高水平期刊，，以严酷的偕行评审和学术影响力著称。该期刊在JCR分区中终年位列Q1，， 2024年影响因子为14.7。
研究配景与问题
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷质料，，它可以实现机械能与电能的相互转换，，在工业和科技领域有着普遍应用，，包括声波传感器、、声波爆发器、、电子焚烧器、、压力传感器等。古板含铅压电陶瓷（如PZT）因性能优异且大规模工业化生产，，在市场中占有主导职位。然而，，铅的毒性对情形有害，，因此开发无铅压电陶瓷以替换含铅质料成为研究的主要趋势。其中，，基于钾钠铌酸盐（KNN）的无铅压电陶瓷因其在相界工程、、织构化、、缺陷工程和复合陶瓷等方面取得的显著希望而备受关注，，展现出较高的压电系数（d??）、、电致应变和温度稳固性。
为了使KNN能够实现大规模工业化生产的高功率应用，，压电陶瓷需要同时具备高d??和高机械品质因数（Q?），，以确保优异的机电性能并镌汰能量耗散爆发的热量。然而，，平衡d??和Q?是一个重大挑战，，由于它们对极化孝顺的偏好差别。这种矛盾在KNN基压电陶瓷中尤为突出，，古板的相界工程虽然显著提高了d??，，但Q?却极低（<50），，因此可能导致大宗的机械消耗，，限制了大规模生产的可行性。古板受主掺杂（如铜、、锰）和新提出的伶仃氧空位战略虽能提高Q?，，但无法包管高d??，， 影响了产品的机械性能，，大规模生产于是无从谈起。
解决方案与效果
本研究提出了一种新的战略，，对铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷举行研究，，在多个方面取得了主要效果，，通过在正交-四方相界工程（O-T PBE）中嵌入局部铜受主缺陷偶极子，，实现了KNN基陶瓷的d??和Q?平衡。该战略保存了室温O - T相界，，引入了二聚体(CuNb′′′-Vo??)'和三聚体(Vo??-CuNb′′′-Vo??)?缺陷。通过X射线吸收细腻结构（XAFS）光谱和第一性原理盘算，，证实了三聚体缺陷的保存。保存的O-T相界和缺陷引起的局部结构不匀称性确保了高d33，，二聚体缺陷形成的缺陷偶极子极化PD钉扎畴壁运动，，提高了Qm。使得KNN - BNH - 1Cu样品优于其他典范KNN基压电陶瓷。
相结构和电滞回线行为
机电特征和电畴消长模子
结论
基于O-T PBE，，通过引入铜受主掺杂，，形成二聚体（????????′′′???????）′和三聚体（???????????????′′′???????）?缺陷。二聚体缺陷形成缺陷偶极子极化，，钉扎畴壁运动；；；三聚体缺陷则引入局部结构异质性，，导致纳米标准多相共存和富厚的纳米畴。实验效果批注，，当铜掺杂量x=1时，，Q?提高了4倍，，而d??仅降低了1/5（抵达340 pC/N，，Q?为256）。该战略为无铅压电陶瓷中d??和Q?的平衡提供了新的范式，，有望推动其在高功率应用中的开展，，推动无铅压电陶瓷在更多领域的现实应用。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58269-5
PROFILE
谭启(Daniel Tan)
质料科学与工程系教授、、
副系主任
谭启教授于2018年8月由以色列理工学院招聘到南宫NG28集团任教。他于1998年获得伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校质料科学与工程博士学位，，1989年获得中国科学院固体物理研究所博士学位，，师从葛庭燧院士，，曾任教于中国科学手艺大学。1994年，，谭启教授前往美国阿贡国家实验室及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校担当会见科学家。1998年，，他加入霍尼韦尔国际公司，，担当高级科学家并开发半导体行业所需的高K介电常数铁电质料。2000年，，他受聘于CTS公司，，担当高级工程师，，认真开发高性能压电传感器和手机天线质料。随后12年，，他就职于美国通用电气公司，，致力于开创性纳米复合质料电子及储能的研究。2016年，，他加入W.L. Gore担当高级科学家，，进一步开展高温电容器和多空薄膜过滤手艺的研究。
谭启教授揭晓、、联合揭晓凌驾120篇期刊文章、、2本大学课本、、3本书籍章节及50份企业内部报告。作为一个立异者，，他在陶瓷、、聚合物、、储能和电子器件领域拥有60项专利及商业神秘。作为企业及美国政府科技项目的首席科学家，，率先开发了纳米绝缘介电复合质料、、高温高能量密度电容器。谭启教授获得多个奖项，，包括中国科学院自然科学奖一等奖，，通用电气全球研究中心立异奖，，2022年南宫NG28集团最佳教学奖，，2023年中国立异创业效果生意会最具投资价值科技效果奖等奖项。他同时照旧MRS, ACERS, SPIE, iMAPS and IEEE等学术机构的成员及多家期刊的评审人。
中国教育在线林剑 实习编辑 李思锜
通讯员：：：蔡思岚
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