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铁电材料因其优异的电-机械性能，已广泛应用于超声换能器、执行器和机械能量收集等各类设备中。其中，超声换能器的灵敏度、效率和带宽等关键指标，很大程度上依赖于材料的压电性能。在此，西安交通大学李飞教授综述了近年来在提升铁电材料压电性能方面的研究进展，并提出了进一步优化的潜在策略，以满足对高性能压电器件和系统日益增长的需求。此外，文章还探讨了铁电材料在新兴应用中的发展前景，如光声成像、集成电路电子设备中的压电风扇和微型马达等。同时也提醒，铁电材料的研发与应用需综合考虑其全生命周期内对环境的影响，涵盖原料获取、生产制造、使用和最终处置等环节。相关成果以「Ferroelectric materials toward next-generation electromechanical technologies」为题发表在Science上，李飞教授为唯一通讯兼唯一一作。
压电材料可以把电信号和机械变形相互转换，广泛应用在超声、驱动、传感、能源与医疗等领域（图1A-C）。传统石英虽然稳定，但响应弱，无法满足现代高性能需求。铁电陶瓷PZT因压电性能强，已广泛用于喷墨打印、燃油喷射和精密定位（图1A）。通过结构创新，比如单层/双层悬臂梁、「月牙」形等设计，进一步提升了变形能力（图1B），也催生了微型马达和压电机械手，适用于高精度制造与快速定位（图1C）。驰豫铁电单晶的出现大幅提高了超声换能器性能，带来更强信号和更宽带宽，推动了医疗影像技术发展（图1D-E）。柔性压电复合材料和透明压电材料让穿戴式超声和透明声学设备成为可能，已用于人体监测、脑部刺激、电子皮肤、关节监测等（图1F）。高频通讯领域，基于AlN或改性AlN、LiNbO₃的滤波器满足了5G、6G需求（图1G）。此外，铁电纳米材料还能用于催化产氢与精准医疗。面向未来，压电技术面临高频超声的分辨率与穿透力矛盾，以及微型散热、马达的高效率低电压需求，亟需开发性能更强的新型压电材料（图1H）。整体看，材料创新和结构设计将推动压电技术在医疗、电子、能源等领域广泛应用。
图1 | 由铁电材料制成的代表性机电器件。
| 通过展平自由能曲线来增强铁电体中的压电性
提升铁电材料压电性能的核心在于提高d₃₃和k₃₃，而这可以通过优化材料的自发极化（PS）、电致伸缩系数（Q₃₃）以及介电常数（ε）来实现。近年来，最有效的方法之一是设计形变相界（MPB），即通过调控材料成分，让不同晶相共存，进而平坦化自由能曲面。这种设计能显著促进极化旋转和畴壁运动，增强纵向与横向介电响应，大幅提升压电性能。例如，在PZT陶瓷中，靠近MPB位置（Zr:Ti=52:48）时，自由能面明显变平，极化旋转增强，d₃₃大幅提升（图2D-E）。类似策略也应用于铁电聚合物、分子铁电晶体和Sc掺杂AlN等体系，均取得了数倍甚至数量级的d₃₃提升（图2F-H），广泛推动了超声医学、微型马达、柔性电子、射频滤波器等领域的发展。
图2 | 压电响应及其与钙钛矿铁电晶体自由能分布的关系
铁电材料的压电性能不仅与材料本身有关，还与铁电畴的结构和排列密切相关。通过控制畴的尺寸和结构，可以显著影响自由能曲面和平衡极化状态，从而优化d₃₃等关键指标。研究表明，在不同晶相和畴结构下，畴尺寸对d₃₃的影响不同，菱方相PMN-PT中，适当增大畴尺寸可使d₃₃提高30%以上（图3A-B）。此外，带电畴壁（CDWs）因其强烈去极化场，可进一步诱导极化旋转，理论上有望大幅提升d₃₃，但目前技术仍难以稳定制造周期足够小的CDWs（图3E）。另一方面，位错工程被证明能有效增强可逆畴壁运动，提升大信号d₃₃，实验中BaTiO₃的d₃₃已被提升至1890 pm V−1，进一步优化有望突破万级（图3F）。未来，结合带电畴壁、位错设计与先进三维结构调控，将为铁电材料压电性能的突破提供新路径。
图3 | 通过域工程提高铁电晶体的压电系数。
图4 | 通过局部结构异质性增强铁电晶体的压电性能。
| 应力-应变工程
通过外部应力或电场可以有效调控铁电材料的自由能曲面，提升压电性能。比如，在PbTiO₃中施加大约10 GPa的高压，可诱导四方相向单斜相转变，显著压平自由能曲面，增强d₃₃系数（图5A）。类似地，计算结果表明，在BaTiO₃和PZT中施加几百兆帕的适当压应力，也能有效提升压电性能（图5B、5C）。虽然对大块铁电材料直接施加高应力存在困难，但铁电薄膜中的外延应变是一种有效手段，尤其在应变诱导相变附近，可显著提升压电性能（图5D）。例如，BiFeO₃、PbZrO₃和NaNbO₃薄膜中，研究人员通过合理设计相共存区域或利用反铁电-铁电相变，分别实现了高达5%的应变和显著的d₃₃系数提升（图5E）。此外，理论研究还发现，在应变调控下，PbTiO₃中的90°畴壁附近会形成强关联的局域偶极，能低能耗自由旋转，从而进一步增强压电性能（图5F、5G）。这些研究为通过外场或应变手段提升铁电压电性能提供了重要参考。
图5 | 外延应变应力诱导压电性能增强。
为了突破传统通过提升介电常数来增强铁电材料压电性能的局限，近年来研究者发展了多种新策略。比如，通过晶粒取向工程，将多晶陶瓷中的晶粒沿<001>等特定方向有序排列，显著提升了陶瓷的d₃₃和k₃₃，使其性能接近单晶，且工艺更简单、成本更低；此外，利用离子重分布效应，尤其是氧空位在外电场下的短程迁移，可诱导超大电致应变，大幅提高压电响应，已在KNN、NBT等材料中取得显著效果；同时，借助弯曲电效应，通过结构设计在本不具压电性的中心对称材料中也可实现有效压电输出，尤其在多孔柔性复合材料中，压电系数已接近甚至超过高端单晶铁电体。这些新方法相互结合，为设计高性能、低能耗、柔性或微型压电器件提供了重要发展方向。
为满足新兴应用对高性能压电材料的需求，传统的「试错式」研发方式已无法跟上步伐，亟需借助计算模拟和智能设计加速新材料发现。目前，相场模拟、第一性原理、高通量计算和机器学习等方法，已广泛用于预测铁电材料的压电性能，指导如稀土掺杂Relaxor晶体的超高d₃₃设计或新型铁电氧化物的发现。同时，材料可持续发展也成为重要方向，研究者正积极推动无铅铁电体系、可降解铁电材料和绿色低能耗工艺的发展，如低温烧结、3D打印和自极化技术等，这些技术不仅提升了性能，还减少了环境污染和能耗，助力实现碳中和目标。图例中展示了通过多尺度计算与结构设计获得高性能铁电材料的思路。
未来，压电材料的研发正朝着「按需定制」方向发展，不再单纯追求高压电系数（d₃₃）和电机耦合因子（k₃₃），而是要结合具体应用，综合考虑介电常数、介电损耗、击穿场强、机械损耗等多种性能指标。比如，超声阵列需要超高介电常数以匹配阻抗，微型压电风扇、马达则需要在高压电性能基础上降低介电常数和损耗以减小功耗和发热。针对不同需求，设计路径各有侧重，如采用局域结构设计、掺杂或引入高密度带电畴壁来提升介电常数，或通过织构、离子迁移等手段实现高压电但低介电的材料体系。同时，透明、柔性、可降解、良好生物兼容性的铁电材料也成为研究热点，适用于透明超声换能器、触摸传感器、可穿戴医疗设备等新兴领域。结合机器学习、计算模拟与实验验证，可大幅加速新材料发现与应用拓展，推动高性能、环保型压电材料走向下一代科技产品。
来源：高分子科学前沿，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
铁电材料因其优异的电-机械性能，已广泛应用于超声换能器、执行器和机械能量收集等各类设备中。其中，超声换能器的灵敏度、效率和带宽等关键指标，很大程度上依赖于材料的压电性能。在此，西安交通大学李飞教授综述了近年来在提升铁电材料压电性能方面的研究进展，并提出了进一步优化的潜在策略，以满足对高性能压电器件和系统日益增长的需求。此外，文章还探讨了铁电材料在新兴应用中的发展前景，如光声成像、集成电路电子设备中的压电风扇和微型马达等。同时也提醒，铁电材料的研发与应用需综合考虑其全生命周期内对环境的影响，涵盖原料获取、生产制造、使用和最终处置等环节。相关成果以「Ferroelectric materials toward next-generation electromechanical technologies」为题发表在Science上，李飞教授为唯一通讯兼唯一一作。
压电材料可以把电信号和机械变形相互转换，广泛应用在超声、驱动、传感、能源与医疗等领域（图1A-C）。传统石英虽然稳定，但响应弱，无法满足现代高性能需求。铁电陶瓷PZT因压电性能强，已广泛用于喷墨打印、燃油喷射和精密定位（图1A）。通过结构创新，比如单层/双层悬臂梁、「月牙」形等设计，进一步提升了变形能力（图1B），也催生了微型马达和压电机械手，适用于高精度制造与快速定位（图1C）。驰豫铁电单晶的出现大幅提高了超声换能器性能，带来更强信号和更宽带宽，推动了医疗影像技术发展（图1D-E）。柔性压电复合材料和透明压电材料让穿戴式超声和透明声学设备成为可能，已用于人体监测、脑部刺激、电子皮肤、关节监测等（图1F）。高频通讯领域，基于AlN或改性AlN、LiNbO₃的滤波器满足了5G、6G需求（图1G）。此外，铁电纳米材料还能用于催化产氢与精准医疗。面向未来，压电技术面临高频超声的分辨率与穿透力矛盾，以及微型散热、马达的高效率低电压需求，亟需开发性能更强的新型压电材料（图1H）。整体看，材料创新和结构设计将推动压电技术在医疗、电子、能源等领域广泛应用。
图1 | 由铁电材料制成的代表性机电器件。
| 通过展平自由能曲线来增强铁电体中的压电性
提升铁电材料压电性能的核心在于提高d₃₃和k₃₃，而这可以通过优化材料的自发极化（PS）、电致伸缩系数（Q₃₃）以及介电常数（ε）来实现。近年来，最有效的方法之一是设计形变相界（MPB），即通过调控材料成分，让不同晶相共存，进而平坦化自由能曲面。这种设计能显著促进极化旋转和畴壁运动，增强纵向与横向介电响应，大幅提升压电性能。例如，在PZT陶瓷中，靠近MPB位置（Zr:Ti=52:48）时，自由能面明显变平，极化旋转增强，d₃₃大幅提升（图2D-E）。类似策略也应用于铁电聚合物、分子铁电晶体和Sc掺杂AlN等体系，均取得了数倍甚至数量级的d₃₃提升（图2F-H），广泛推动了超声医学、微型马达、柔性电子、射频滤波器等领域的发展。
图2 | 压电响应及其与钙钛矿铁电晶体自由能分布的关系
铁电材料的压电性能不仅与材料本身有关，还与铁电畴的结构和排列密切相关。通过控制畴的尺寸和结构，可以显著影响自由能曲面和平衡极化状态，从而优化d₃₃等关键指标。研究表明，在不同晶相和畴结构下，畴尺寸对d₃₃的影响不同，菱方相PMN-PT中，适当增大畴尺寸可使d₃₃提高30%以上（图3A-B）。此外，带电畴壁（CDWs）因其强烈去极化场，可进一步诱导极化旋转，理论上有望大幅提升d₃₃，但目前技术仍难以稳定制造周期足够小的CDWs（图3E）。另一方面，位错工程被证明能有效增强可逆畴壁运动，提升大信号d₃₃，实验中BaTiO₃的d₃₃已被提升至1890 pm V−1，进一步优化有望突破万级（图3F）。未来，结合带电畴壁、位错设计与先进三维结构调控，将为铁电材料压电性能的突破提供新路径。
图3 | 通过域工程提高铁电晶体的压电系数。
图4 | 通过局部结构异质性增强铁电晶体的压电性能。
| 应力-应变工程
通过外部应力或电场可以有效调控铁电材料的自由能曲面，提升压电性能。比如，在PbTiO₃中施加大约10 GPa的高压，可诱导四方相向单斜相转变，显著压平自由能曲面，增强d₃₃系数（图5A）。类似地，计算结果表明，在BaTiO₃和PZT中施加几百兆帕的适当压应力，也能有效提升压电性能（图5B、5C）。虽然对大块铁电材料直接施加高应力存在困难，但铁电薄膜中的外延应变是一种有效手段，尤其在应变诱导相变附近，可显著提升压电性能（图5D）。例如，BiFeO₃、PbZrO₃和NaNbO₃薄膜中，研究人员通过合理设计相共存区域或利用反铁电-铁电相变，分别实现了高达5%的应变和显著的d₃₃系数提升（图5E）。此外，理论研究还发现，在应变调控下，PbTiO₃中的90°畴壁附近会形成强关联的局域偶极，能低能耗自由旋转，从而进一步增强压电性能（图5F、5G）。这些研究为通过外场或应变手段提升铁电压电性能提供了重要参考。
图5 | 外延应变应力诱导压电性能增强。
为了突破传统通过提升介电常数来增强铁电材料压电性能的局限，近年来研究者发展了多种新策略。比如，通过晶粒取向工程，将多晶陶瓷中的晶粒沿<001>等特定方向有序排列，显著提升了陶瓷的d₃₃和k₃₃，使其性能接近单晶，且工艺更简单、成本更低；此外，利用离子重分布效应，尤其是氧空位在外电场下的短程迁移，可诱导超大电致应变，大幅提高压电响应，已在KNN、NBT等材料中取得显著效果；同时，借助弯曲电效应，通过结构设计在本不具压电性的中心对称材料中也可实现有效压电输出，尤其在多孔柔性复合材料中，压电系数已接近甚至超过高端单晶铁电体。这些新方法相互结合，为设计高性能、低能耗、柔性或微型压电器件提供了重要发展方向。
为满足新兴应用对高性能压电材料的需求，传统的「试错式」研发方式已无法跟上步伐，亟需借助计算模拟和智能设计加速新材料发现。目前，相场模拟、第一性原理、高通量计算和机器学习等方法，已广泛用于预测铁电材料的压电性能，指导如稀土掺杂Relaxor晶体的超高d₃₃设计或新型铁电氧化物的发现。同时，材料可持续发展也成为重要方向，研究者正积极推动无铅铁电体系、可降解铁电材料和绿色低能耗工艺的发展，如低温烧结、3D打印和自极化技术等，这些技术不仅提升了性能，还减少了环境污染和能耗，助力实现碳中和目标。图例中展示了通过多尺度计算与结构设计获得高性能铁电材料的思路。
未来，压电材料的研发正朝着「按需定制」方向发展，不再单纯追求高压电系数（d₃₃）和电机耦合因子（k₃₃），而是要结合具体应用，综合考虑介电常数、介电损耗、击穿场强、机械损耗等多种性能指标。比如，超声阵列需要超高介电常数以匹配阻抗，微型压电风扇、马达则需要在高压电性能基础上降低介电常数和损耗以减小功耗和发热。针对不同需求，设计路径各有侧重，如采用局域结构设计、掺杂或引入高密度带电畴壁来提升介电常数，或通过织构、离子迁移等手段实现高压电但低介电的材料体系。同时，透明、柔性、可降解、良好生物兼容性的铁电材料也成为研究热点，适用于透明超声换能器、触摸传感器、可穿戴医疗设备等新兴领域。结合机器学习、计算模拟与实验验证，可大幅加速新材料发现与应用拓展，推动高性能、环保型压电材料走向下一代科技产品。
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