BiFeO3-PbTiO3（BF-PT）基固溶体作为含铋钙钛矿氧化物基压电体系的代表，因其高居里温度（Tc）在过去几十年中被广泛研究，并在燃油喷射阀、汽车、航空航天等领域展现出巨大的应用潜力。这类材料通常在接近所谓的菱方（R）-四方（T）形态相界（MPB）组成区域时，展现出优异的压电性能。尽管BF-PT基固溶体的组成接近MPB，但它们通常只表现出较差的d33压电系数和应变值，这种现象被认为与R相中存在的八面体倾斜和T相中大的晶格畸变有关。R相中的反相八面体倾斜被认为会抑制畴壁运动和切换的动力学，从而不利于实现大的压电性能。此外，BF-PT二元MPB组成的四方性（c/a比）非常大，高达约1.15，这强烈限制了畴运动和切换。减少晶格畸变似乎可以促进畴动力学，但这通常以严重降低Tc值为代价。

尽管通过成分调节可以在一定程度上提高BF-PT基MPB组成的d33和应变值，但大多数情况下，即使在Tc值显著降低后，也未能观察到显著增强的d33和应变值。此外，多晶压电陶瓷中复杂的晶格应变和畴切换行为通常存在，其中之一甚至两者的组合可能会主导MPB组成中增强的各种电性能。当发生场诱导相变时，这种情况可能会变得更加复杂。尽管在三元(0.75-x)BF-0.25PT-xBa(Zr0.25Ti0.75)O3 (BF-PT-xBZT)系统中报道了临界MPB组成展现出异常大的d33值，但其大压电响应与内在晶格贡献密切相关，而外在畴贡献较小。不过目前尚缺乏直接证据表明电场诱导的相变如何影响T和R相的晶格应变和畴切换，以及这两种现象如何影响压电和应变响应，这些问题对于理解BF-PT-xBZT系统如何展现出如此高的压电和应变响应，以及进一步开发高性能的BF-PT基和其他类型的含铋高温压电陶瓷至关重要。

针对BiFeO3-PbTiO3 (BF-PT)基固溶体中存在的压电性能问题，合肥工业大学、安徽工业大学以及中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员组成的团队利用了泽攸科技的透射电镜原位测量系统进行了深入研究。他们通过原位同步辐射X射线衍射和透射电子显微镜技术，对BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3高温压电陶瓷进行了研究，以阐明其背后的结构机制。本文章以“Structural mechanisms of large piezoelectric responses in BiFeO3-PbTiO3 based solid-solution ceramics”发表在《Acta Materialia》期刊上。全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118991

论文主要研究的是BiFeO3-PbTiO3 (BF-PT)基固溶体陶瓷中大型压电响应的结构机制。BF-PT基材料作为含有铋的钙钛矿氧化物压电系统，因其高居里温度而在过去几十年内受到广泛关注，有着应用于燃料喷射阀、汽车、航空航天等领域的潜力。然而即使接近所谓的R-T型态可变相界(MPB)，BF-PT基系统的d33和应变值通常并不理想。论文中指出，BF-PT基组成中R相的八面体倾斜和T相的晶格畸变是限制传统MPB方法无效性的主要原因。

图 (a) BF-PT-xBZT 三元系统的示意相图，(b) x 函数的准静态 d33 值的演变。(c) P-E 曲线和 (d) 三种典型 MPB 组成的 S-E 曲线的比较

研究中采用原位同步辐射X射线衍射和透射电子显微镜技术，对一种近期报道的具有高电致伸缩系数的BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3高温压电陶瓷进行了详细分析。结果显示，在电场作用下，T相(P4mm)向R相(R3c)发生了不可逆的转变，虽然两种相在极化后依然共存。这一转变促进了R相和T相显著增强的不可逆畴切换，以及R相的可逆畴切换，而T相仅表现出轻微增强的可逆切换。与其它BF-PT-xBa(Zr,Ti)O3 MPB组成相比，这导致了晶格应变显著增加至约0.15%，而T相的晶格贡献和R相、T相的外在贡献仅略有增加。

图 对于 x = 0.19 的样品，(a) (111)c 反射和 1/2(113) 超结构峰以及 (b) (100)c 反射随着电场变化的演变。相应的等高线图显示在下方，其中峰强度和位置的相对变化更为清晰

研究还特别关注了x=0.19样品的电场诱导行为，发现它与特定的结构演化趋势有关。不同于传统的PZT和BF-PT固溶体，其中四方相或三方相的含量随PT含量的增加而单调变化，在本研究的BF-PT-xBa(Zr,Ti)O3体系中，四方相的体积分数并未单调增加。当x≤0.19时，随着x的增加，四方相体积分数明显增加，但x进一步增加时，这一比例明显下降。因此，x=0.19样品可视为一个转折点，在电场加载下会引起相不稳定。

图 不同电场下对 x = 0.19 样品进行明场透射电子显微镜（TEM）观察

研究发现，x=0.19样品表现出比其他R3c-P4mm MPB组成和BF-PT基体系更大的压电、铁电和应变性质。这与电场诱导的不可逆相转变密切相关，这种转变改变了R3c相和P4mm相之间的体积分数，而没有涉及先前报道的中间单斜相。实验结果证实了R3c相的存在而非R3m相，这与BF基质的R3c对称性一致。

研究通过合理利用R相和T相在MPB中的不同作用，设计高性能BF-PT基高温压电陶瓷的新机制，同时也揭示了BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3样品如何克服R3c相中八面体倾斜和P4mm相中大晶格畸变的局限，从而获得增强的压电活性。

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