近期，同濟大學材料學院翟繼衛教授研究團隊在壓電材料的相關研究中取得系列進展，相應科研成果發表于材料領域權威期刊《科學進展》(Science Advances)、《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)和《ACS 納米》(ACS Nano)。
壓電材料的疇結構在決定其壓電/應變性能方面起著關鍵作用。氣泡疇（BDs）對進一步增強材料的壓電/應變性能方面展現出大的希望。但是理解和利用BDs來實現這一目標是一個重大的科學挑戰；在無鉛壓電陶瓷中，鈮酸鉀鈉基((K,Na)NbO3, KNN)壓電陶瓷具有較高的壓電性能和居里溫度等特點，但是溫度穩定性與鉛基壓電陶瓷還相差甚遠，限制了其潛在應用；鐵酸鉍基（BiFeO3, BF）壓電陶瓷具有優異高溫壓電性能，是發展下一代極端環境應用型環保電子器件的關鍵材料；BiFeO3-BaTiO3（BF-BT）基壓電陶瓷有良好的鐵電/壓電性能和高居里溫度展現出解決相關技術難題的潛力，但如何有效協調壓電性能與熱穩定性之間的矛盾仍是該領域面臨的重要科學挑戰。
針對上述挑戰，同濟大學翟繼衛教授研究團隊進行了相應的探索與研究，并獲得了一定的成果，具體介紹如下：
工作一：拓撲泡狀疇提升壓電薄膜的應變性能
翟繼衛教授研究團隊設計和實現了Bi0.5Na0.5TiO3壓電薄膜中拓撲BDs的構筑，建立并闡明了BDs與薄膜宏觀極化和應變響應之間的關系。BDs的出現降低了偶極子或疇翻轉的能壘，這一優勢與BDs在電場作用下的極化旋轉以及BDs和傳統電疇之間旋轉銜接偶極子所產生的最小化極化通量相結合，導致了增強的應變響應。此外，研究發現，持續的驅動電壓和溫度升高對BDs有擦除作用。同時，消亡的BDs可以在一段時間內自動恢復到初始狀態。這些發現加深了對BDs的認識，為促進極性拓撲壓電/應變材料的發展提供了理論指導和實驗支撐。
該研究成果以“Topological bubble domain engineering for high strain response”為題發表于《科學進展》(Science Advances)上。論文的第一單位是同濟大學材料科學與工程學院。同濟大學錢進博士、同濟大學在讀博士生劉陽為共同一作。通訊作者為同濟大學翟繼衛教授、西安交通大學王棟教授、伍倫貢大學程振祥教授和同濟大學沈波副教授。該研究工作得到了國家自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw8840
工作二：具有寬服役溫區的高性能KNN基織構壓電陶瓷
翟繼衛教授研究團隊提出了一種集成分調控和織構工程的雙重策略，旨在重構KNN基陶瓷的相結構、疇結構、晶體各向異性和相變之間的復雜耦合。結果表明，在(K,Na)NbO3基織構化陶瓷中獲得了較高的壓電系數(d33~550±30 p CN-1)和逆壓電系數(d33*~850 pm V-1)，以及290 °C的居里溫度。同時，在25-200℃的溫度范圍內，陶瓷的d33和d33*的變化率僅為3%和4%。這種在(K,Na)NbO3基陶瓷中表現出的超穩定熱壓電性能與商用Pb(Zr, Ti)O3基陶瓷相當。
該研究成果以“Ultra-stable thermal piezoelectricity up to 200℃ in high-performance KNN-based textured piezoceramics”為題發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。論文的第一單位是同濟大學材料科學與工程學院。第一作者為同濟大學在讀碩士生楊慧蓉。通訊作者為同濟大學翟繼衛教授、哈爾濱工業大學姜桂鋮教授和同濟大學錢進博士。該研究工作得到了國家自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202507702
工作三：空間電荷-電子傳輸機制增強BF基陶瓷高溫壓電性
翟繼衛教授研究團隊提出了一種在BF-BT體系中構建空間電荷-電子傳輸機制從而增強極化響應的策略。該機制是在相場模擬方法的指導下，在含有A位空位缺陷的基質中通過調控缺陷和載流子的濃度和分布來構建的。該策略可通過降低朗道勢壘增強極化響應，并通過雙尺度（宏-微疇）疇結構提升疇翻轉能力，從而使室溫壓電系數提升至d33 ~ 205 pC/N。而且，利用電場誘導的相結構演變及大尺寸疇結構可獲得高溫下穩定存在的極性配置，實現寬溫度范圍（100 ~ 415°C）內高溫壓電系數的穩定（310 pC/N，Δ < ± 13%）。
該研究成果以“Space Charge-Electron Transmission for Enhancing High-temperature Piezoelectricity in BF-Based Ceramics”為題發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。論文的第一單位是同濟大學材料科學與工程學院。第一作者為同濟大學在讀碩士生黃依婷。通訊作者為同濟大學材料學院翟繼衛教授，劉冠宇研究員和李國輝博士。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202511290
工作四：壓電薄膜中拓撲泡狀疇的形成機制
機械能與電能的高效雙向轉換能力，使壓電材料成為下一代智能系統的核心，廣泛應用于納米發電機、醫療微型設備、先進機電傳感器等領域，并推動壓電光催化染料降解、新型能量采集等創新技術發展。壓電效應本質源于材料極化與機械應力的耦合響應，而疇結構（如鐵電體中的拓撲疇）正是極化的微觀載體。近年來，鐵電薄膜中的納米拓撲疇（如斯格明子（skyrmions）、氣泡疇（bubble domains）等）因其獨特的物理性質成為研究熱點。
翟繼衛教授研究團隊揭示了Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基壓電薄膜中拓撲泡狀疇的形成機制。通過實驗與模擬相結合，發現晶格畸變與氧八面體扭轉的強耦合會顯著提升局部結構不均勻性，進而誘導泡狀疇密度增加。這類氣泡疇具有低角度疇壁（<5°）和高電場響應特性，可有效促進極化旋轉，從而提升壓電性能。該研究不僅建立了拓撲疇構效關系，更為基于疇工程的高性能納米電子器件設計提供了新范式。
該研究成果以以“Formation mechanism of topological bubble domains in Bi0.5Na0.5TiO3?based piezoelectric films”為題發表于《ACS 納米》(ACS Nano)上。論文第一作者為同濟大學在讀博士生劉陽。通訊作者為同濟大學翟繼衛教授、中科院上硅所曾華榮研究員和西安交通大學何利強博士。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c05679
