压电材料是一种可以将机械能和电能相互转换的智能材料，被广泛应用于传感器、致动器、换能器等器件中，在生物医疗、卫星广播和航空航天等高科技领域发挥着重要作用。近年来，随着环境保护和可持续发展理念的深入人心，全球范围内对绿色经济、清洁能源和生态保护的关注度持续提升，无铅压电陶瓷材料也受到了广泛关注。铌酸钾钠基压电陶瓷因具有较大的压电常数（d₃₃）和较高的居里温度（T_C），被视为最有可能取代含铅陶瓷的体系之一。目前，铌酸钾钠基压电陶瓷的d₃₃值已得到明显提升（~500 pC/N），但在实际应用中，压电性能的温度稳定性与d₃₃值同样重要，目前仍难以有效解决高d33值和优异温度稳定性之间的博弈问题。

近期，北京工业大学侯育冬教授团队和北京科技大学施小明老师团队合作，提出了一种构筑极性拓扑畴结构来改善KNN 基陶瓷压电温度稳定性的有效策略。通过相场模拟验证，将具有氧八体旋转特征的0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃（BFBT）引入到0.96(K_0.48Na_0.52)(Nb_0.96Sb_0.04)O₃-0.04(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃（KNN）陶瓷体系中，构建出复合体系KNN-BFBT，一方面通过多种对称相间朗道能、弹性能、静电能和应变梯度能的相互作用，导致了极化的非均匀分布；另一方面，体系中局部氧八面体的畸变、倾斜和位移导致了极化的连续翻转，从而在介观尺度上形成了具有高密度畴壁的极性拓扑畴构型。由于极性拓扑畴构型的拓扑保护和高密度畴壁的钉扎作用，使得其能够抵抗外界温度的冲击，可以在25-120 ℃的宽温范围内保持稳定，从而使复合体系样品的压电温度稳定性得到明显改善（在25-120 ℃温度范围内，d₃₃ 值仅下降约10%）。使用该样品构建的压电能量收集器（PEH）可以在25-120 ℃温度范围内持续发电，在120 ℃下，PEH 的输出功率密度为174 μW/cm³，输出电流密度为9.84 μA/cm²，明显优于其它无铅体系的PEHs，进一步拓宽了KNN 基PEH 的使用温区，具有重要的应用价值。相关成果以“Thermally stable piezoelectric properties of lead-free ceramics featuring polar topological domains”为题发表于国际知名期刊《Acta Materialia》，北京工业大学博士研究生席凯彪为论文的第一作者，北京工业大学侯育冬教授和北京科技大学施小明老师为论文的共同通讯作者。

上述工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的资助。

图1. 通过相场模拟验证将具有氧八面体旋转特征的BFBT 引入到具有R-O-T 多相共存的KNN 基体系中，可以导致极化连续旋转，形成极性拓扑结构，这种极性拓扑结构可以在25-120 ℃温度范围内保持稳定。

图2. 通过TEM，在KNN 基体系和BFBT 基体系中观察到长条状的畴结构，而在KNN-BFBT 复合体系中观察到具有高密度畴壁的极性拓扑畴构型。

图3. 利用STEM 从原子尺度进一步分析了极性拓扑畴的形成原因：1. 多种对称相中非均匀极化构型之间的相互竞争；2. 复杂的氧配位环境导致局部氧八面体畸变、倾斜和位移。

图4. 通过PFM 证实极性拓扑畴可以在25-120 ℃温度范围内保持稳定。

图5. 复合体系KNN-BFBT 的压电温度稳定性得到明显改善，d₃₃值在25-120℃温度范围内仅下降约10%，使用温区得到进一步拓宽。

图6. 使用复合体系KNN-BFBT 构建的PEH 可以在120℃下持续发电，具有重要的实际应用价值。

第一作者简介

席凯彪，北京工业大学材料科学与工程学院2021级博士研究生，导师为侯育冬教授，主要从事无铅压电能量收集材料的制备和研究，读博期间以第一作者在Adv Funct Mater、Acta Mater、Nano-Micro Lett、Nano Energy、J Mater Chem A、ACS Appl Mater Interfaces、J Eur Ceram Soc、J Materiomics、J Mater Chem C等国际著名学术刊物发表SCI论文11篇，申请国家发明专利3项，曾荣获国家奖学金、北京市雨燕奖学金、北京工业大学博士研究生创新奖学金等多项奖励。