上海交大材料学院揭示压电陶瓷中非对称电致应变与电致弯曲的缺陷作用机制

压电陶瓷能够实现电能与机械能之间的高效转换，是精密位移驱动器、微泵、触觉反馈、超声换能器和微机电系统等领域的关键功能材料。近年来，含挥发元素的(K,Na)NbO₃和(Na,Bi)TiO₃基无铅压电陶瓷中陆续发现了巨大非对称电致应变和电致弯曲响应，并被归因于缺陷偶极子的形成或孤立氧空位的迁移。然而，由于陶瓷材料中缺陷构型复杂，缺陷偶极子与氧空位在表观应变、本征应变和弯曲形变中的作用机制长期存在争议，严重影响了电致应变测试结果的准确判读和压电致动器的合理设计。

围绕压电陶瓷中缺陷如何介导电致形变机制这一关键科学问题，该工作设计并制备了具有不同缺陷态的 BaTiO₃、Ba_0.99TiO_2.99以及Sr掺杂 (K,Na)NbO₃基陶瓷。团队结合宏观电致形变测试、压电响应力显微镜（PFM）畴翻转表征、电子顺磁共振（EPR）/X 射线光电子能谱（XPS）缺陷分析、二次质子谱成分梯度分析、积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）原子尺度成像、第一性原理计算和相场模拟，系统建立了从原子尺度缺陷构型、介观铁电畴行为到宏观电致形变响应的多尺度关联。

研究发现，在氮气气氛烧结 BaTiO₃ 陶瓷（BT-N）中，孤立氧空位在外电场作用下发生长程迁移，改变了正负电极两侧表面铁电畴的翻转行为，从而诱导出与极化方向无关的电致弯曲形变。该类样品的表观应变-电场曲线可表现出显著非对称性和较大的表观应变，在有效排除弯曲贡献后，其本征应变-电场曲线仍为对称曲线，说明其非对称表观响应主要来自弯曲响应。相较之下，非化学计量 Ba_0.99TiO_2.99陶瓷中形成的Ba空位-氧空位缺陷偶极子能够有效抑制氧空位迁移，产生与极化方向相关的本征非对称电致应变响应。

进一步地，该工作在不控制挥发的Sr掺杂KNN基陶瓷中发现，K/Na挥发所产生的 A 位空位与氧空位呈连续梯度分布，可驱动缺陷偶极子沿梯度方向自发定向，从而合理地解释了KNN及NBT基等含挥发性元素压电陶瓷中观察到的与极化方向无关的电致弯曲现象。通过小尺寸样品削弱弯曲贡献并结合正反面翻转测试，团队提出了区分氧空位迁移诱导弯曲和缺陷偶极子梯度诱导弯曲的实验判据。 既氧空位迁移引起的表观非对称电致应变曲线完全来自于弯曲贡献，材料本身的真实电致应变没有提升且保持对称；而缺陷偶极子产生本征的非对称电致应变，并可显著提升了材料真实的电致应变值，缺陷偶极子梯度的存在将诱导显著的电致弯曲现象。

该项研究揭示了孤立氧空位、均匀分布缺陷偶极子和梯度分布缺陷偶极子在压电陶瓷电致形变中的作用机制，厘清了近年来围绕缺陷介导巨大电致应变/电致弯曲中产生的争议。该项研究不仅有助于规范电致应变测试中表观应变与本征应变的区分，也为利用缺陷偶极子调控压电陶瓷电致形变提供了新的设计思路，对发展高性能压电致动器具有重要意义。