壓電材料具有力電轉換功能，在傳感器和執行器中具有廣泛的應用。隨著微機電系統（MEMS）技術的快速發展，高性能壓電薄膜材料受到廣泛關注。然而，薄膜材料的性能仍顯著低于塊體材料，且其性能提升進展緩慢。為了滿足更廣泛的應用需求，特別是應變線性度高、頻率和溫度穩定性好的高性能壓電薄膜材料是近年來鐵電壓電材料研究領域的前沿之一。
近期，清華大學材料學院李敬鋒教授課題組基于無鉛壓電陶瓷的長期研究成果，通過合作研究在高性能無鉛壓電薄膜的制備技術與結構及性能調控方面取得重要進展，發現在鈮酸鉀鈉（KNN）基薄膜中通過工藝優化可形成互鎖網絡狀雙相結構，顯著提升其壓電性能，實現高達1.14%的壓電應變。該材料不僅線性度極佳，還在1～100kHz的寬頻率范圍內表現出突出的穩定性，應變變化率低至7%。
研究發現，在化學溶液旋涂法制備薄膜的過程中引入兩步結晶工藝，可有效調控外延薄膜的結晶相組成和納米極性微區結構（polar nanoregion，PNR）。在第一步結晶過程中，利用界面形核誘導的應力促進單斜（M）相的形成；隨后，在更高溫度的第二步結晶過程中，促使剩余非晶相完全結晶形成四方（T）相。通過精確調控熱處理參數，可實現對薄膜中M相與T相體積分數的調控以及納米極性微區尺度的優化，最終構建出具有顯著增強局域應變效應的互鎖單斜相納米極性微區（IM-PNR）結構。
圖1 通過兩步結晶法實現納米極性構型的協同調控
與傳統一步結晶法制備的薄膜相比，基于兩步結晶法獲得的IM-PNR結構薄膜的壓電應變超出2倍，同時維持了良好的應變線性，并具有了優異的頻率與溫度穩定性：在103至10?Hz的頻率范圍內，應變變化率僅約7%；在25°C至150°C的溫度區間內，變化率也僅為10%。基于此薄膜制備的pMUT原型器件也展現出高位移靈敏度和頻率穩定性，證明了其在高頻驅動應用中的巨大潛力。
圖2 IM-PNR類型薄膜的應變、線性度和穩定性
為深入理解性能提升的物理機制，研究團隊利用積分差分相位襯度掃描透射電子顯微鏡技術直接觀測到了薄膜中相互交織的單斜與四方極性納米區域。這種極性納米微區使壓電性能倍增，且極化矢量翻轉具有對外電場高頻信號的快速響應，促進了寬頻域內的極化動力學，從而穩定地增強了較大高頻范圍內的應變響應。同時，由多元摻雜和兩步結晶法協同促進的微區異質性更好地實現了相界彌散，使M+T雙相結構在更寬溫度范圍內實現了穩定共存，顯著改善了KNN基薄膜電致應變的溫度穩定性。
圖3 IM-PNR型薄膜的納米極性構型
結合原位電場同步輻射X射線衍射與相場模擬，團隊進一步揭示了優異電致應變線性的起源。發現電場作用下M相與T相之間幾乎沒有相互轉化，而微觀晶格常數變化值（~1.16%）與實測宏觀應變數值（1.14%）一致。M與T相區域各自的晶體衍射結果進一步揭示：不同對稱性、邊界條件的M和T相PNR中產生的兩種極化切換機制，它們之間的協同互補效應進一步促進了薄膜的應變線性。
該工作不僅發現了新的相結構調控和壓電應變機制，也為研發具有高可靠性、大應變且線性響應的高頻鐵電壓電薄膜提供了一種前景廣闊且工藝簡便的策略，從而助力壓電MEMS技術發展。
圖4 IM-PNR型薄膜的原位結構演化
研究成果以“互鎖單斜相納米極性微區產生的大線性高頻應變”（Large linear high-frequency strain by interlocked monoclinic polar nanoregions）為題，在線發表于《自然·材料》（Nature Materials）。
清華大學材料學院2025屆博士畢業生程月雨杉為論文第一作者，清華大學材料學院教授李敬鋒、澳大利亞伍倫貢大學/香港城市大學教授張樹君、中國科學技術大學副教授羅震林和英國曼徹斯特大學教授大衛·霍爾（David A. Hall?）為論文共同通訊作者。其他重要合作者包括北京科技大學講師施小明、清華大學材料學院舒亮博士、北京理工大學教授黃厚兵、清華大學材料學院副教授李千、清華大學材料學院教授鐘敏霖。研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目和清華大學新型陶瓷全國重點實驗室自主科研項目等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02354-z
