研究背景

聚焦当前收集自然界或人类生产活动中浪费的机械能的需求，设计和开发具有更高机电转换性能的压电材料具有重要意义。以压电陶瓷为核心的压电能量收集技术，可将环境中广泛存在的振动能转换为电能，被认为是可以替代传统化学电池，实现物联网核心节点器件-无线传感器自供电的有效解决方案。从材料角度而言，含铅压电材料虽然有着优异的压电性能，但在如今人类对环境和健康愈加重视的条件下，含铅材料难以在生物相关的领域中扮演重要角色。因此，针对高性能无铅铌酸钾钠（KNN）基压电陶瓷的研发受到广泛关注。此外，对于具有复杂相界的高性能KNN基陶瓷而言，如何将其电学性能与潜在的多尺度结构相关联也至关重要。

成果介绍

近日，课题组与同济大学研究人员合作利用中熵策略在KNN基压电陶瓷中进行“局部多态畸变”设计，进一步结合均匀大晶粒的构建，形成了大尺寸分级畴结构（~ 0.7 μm宽）。这样的结构不仅有利于极化翻转，而且保证了高的剩余极化，从而有效改善了压电性能（~ 3.2倍），最终成功获得了优异的能量收集特性（W_out ~ 2.44 mW，P_D ~ 35.32 μW/mm³）。此外，在原子级极化特性的辅助下，确认了“局部多态畸变”，并利用原位电场结构表征分析了畴变和相变机制，揭示了电场诱导基于T-O-R相变的高效多尺度极化构型切换。该项工作不仅展示了高性能KNN基压电陶瓷设计的新思路，也促进了无铅压电陶瓷材料在能量收集应用中的发展。相关成果以题为“Field-Induced Multiscale Polarization Configuration Transitions of Mesentropic Lead-Free Piezoceramics Achieving Giant Energy Harvesting Performance”发表在《Advanced Functional Materials》上，文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202303965。

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