清华大学材料学院李敬锋课题组合作在无铅压电薄膜材料研究领域取得新进展

压电材料具有力电转换功能，在传感器和驱动器中具有广泛的应用。随着微机电系统（MEMS）技术的快速发展，高性能压电薄膜材料受到广泛关注。然而，薄膜材料的性能仍显著低于块体材料，且其性能提升进展缓慢。为了满足更广泛的应用需求，特别是应变线性度高、频率和温度稳定性好的高性能压电薄膜材料是近年来铁电压电材料研究领域的前沿之一。

近期，清华大学材料学院李敬锋教授课题组基于无铅压电陶瓷的长期研究成果，通过合作研究在高性能无铅压电薄膜的制备技术与结构及性能调控方面取得重要进展，发现在铌酸钾钠（KNN）基薄膜中通过工艺优化可形成互锁网络状双相结构，显著提升其压电性能，实现高达1.14%的压电应变。该材料不仅线性度极佳，还在1～100kHz的宽频率范围内表现出突出的稳定性，应变变化率低至7%。

研究发现，在化学溶液旋涂法制备薄膜的过程中引入两步结晶工艺，可有效调控外延薄膜的结晶相组成和纳米极性微区结构（polar nanoregion，PNR）。在第一步结晶过程中，利用界面形核诱导的应力促进单斜（M）相的形成；随后，在更高温度的第二步结晶过程中，促使剩余非晶相完全结晶形成四方（T）相。通过精确调控热处理参数，可实现对薄膜中M相与T相体积分数的调控以及纳米极性微区尺度的优化，最终构建出具有显著增强局域应变效应的互锁单斜相纳米极性微区（IM-PNR）结构。

图1.通过两步结晶法实现纳米极性构型的协同调控

与传统一步结晶法制备的薄膜相比，基于两步结晶法获得的IM-PNR结构薄膜的压电应变超出2倍，同时维持了良好的应变线性，并具有了优异的频率与温度稳定性：在10³至10⁵Hz的频率范围内，应变变化率仅约7%；在25°C至150°C的温度区间内，变化率也仅为10%。基于此薄膜制备的pMUT原型器件也展现出高位移灵敏度和频率稳定性，证明了其在高频驱动应用中的巨大潜力。

图2.IM-PNR类型薄膜的应变、线性度和稳定性

为深入理解性能提升的物理机制，研究团队利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜技术直接观测到了薄膜中相互交织的单斜与四方极性纳米区域。这种极性纳米微区使压电性能倍增，且极化矢量翻转具有对外电场高频信号的快速响应，促进了宽频域内的极化动力学，从而稳定地增强了较大高频范围内的应变响应。同时，由多元掺杂和两步结晶法协同促进的微区异质性更好地实现了相界弥散，使M+T双相结构在更宽温度范围内实现了稳定共存，显著改善了KNN基薄膜电致应变的温度稳定性。

图3.IM-PNR型薄膜的纳米极性构型

结合原位电场同步辐射X射线衍射与相场模拟，团队进一步揭示了优异电致应变线性的起源。发现电场作用下M相与T相之间几乎没有相互转化，而微观晶格常数变化值（~1.16%）与实测宏观应变数值（1.14%）一致。M与T相区域各自的晶体衍射结果进一步揭示：不同对称性、边界条件的M和T相PNR中产生的两种极化切换机制，它们之间的协同互补效应进一步促进了薄膜的应变线性。

该工作不仅发现了新的相结构调控和压电应变机制，也为研发具有高可靠性、大应变且线性响应的高频铁电压电薄膜提供了一种前景广阔且工艺简便的策略。

图4.IM-PNR型薄膜的原位结构演化

研究成果以“互锁单斜相纳米极性微区产生的大线性高频应变”（Large linear high-frequency strain by interlocked monoclinic polar nanoregions）为题，于年9月29日在线发表于《自然·材料》（Nature Materials）。

清华大学材料学院2025届博士毕业生程月雨杉为论文第一作者，清华大学材料学院教授李敬锋、澳大利亚伍伦贡大学/香港城市大学教授张树君、中国科学技术大学副教授罗震林和英国曼彻斯特大学教授大卫·霍尔（David A. Hall ）为论文共同通讯作者。其他重要合作者包括北京科技大学讲师施小明、清华大学材料学院舒亮博士、北京理工大学教授黄厚兵、清华大学材料学院副教授李千、清华大学材料学院教授钟敏霖。研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和清华大学新型陶瓷全国重点实验室自主科研项目等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02354-z

供稿：材料学院

编辑：李华山

审核：郭玲