压电材料拥有一项独特的特性：当受到机械力作用时能产生电能，反之，当施加电压时其形状会发生改变；正因如此，它们被广泛应用于压力传感器和耳机等领域。目前，性能最优异的一类压电材料是钛酸锆铅（PZT），其中含有铅（Pb）。然而，鉴于铅是一种对人体健康和环境均有害的物质，加之国际环保法规日益趋严，业界迫切需要利用无铅材料来实现高性能。无铅铁酸铋（BiFeO3，简称 BFO）作为一种极具潜力的无铅压电材料，已引起了广泛关注；它不仅展现出相对较高的压电性能，还具备适中的介电常数，其特性非常适合应用于传感器及发电装置中。尽管如此，其性能目前尚未达到器件制造所需的水平，因此尚未进入实际应用阶段。
与此同时，在基础材料科学研究领域，人们发现了一种利用所谓“应变诱导结构相变”现象来提升 BFO 性能的方法（Zeches 等人，Science (2009)）。当 BFO 薄膜生长在特定的氧化物单晶衬底（如 SrTiO3 或 LaAlO3）之上时，由于衬底与 BFO 之间晶格尺寸的不匹配，BFO 会受到压应力（即压应变）的作用。据报道，这种应力会诱导 BFO 晶体结构发生变化——即相变——从而使其压电性能得到显著提升（图 2，上）。
然而，在实际用于器件制造的硅晶圆上，存在着一个重大挑战：由于硅与BFO之间热膨胀系数的差异，上述效应无法得到利用。具体而言，硅的热膨胀系数极低（约为 3 × 10⁻⁶/°C），而BFO的热膨胀系数相对较高（约为 1 × 10⁻⁵/°C）；因此，当BFO薄膜在高温（约 500°C）下生长并随后冷却至室温时，BFO所受到的作用力并非压应力，而是拉应力（即产生拉伸应变）。正因如此，此前人们普遍认为，那种在氧化物单晶衬底上已被观测到的、由压应变所带来的性能增强效应，无法在实际应用的硅晶圆上加以利用。
大阪公立大学工学研究科吉村武副教授、研究生 Sengsavang Aphayvong（研究当时）；以及大阪产业科学技术研究所的研究团队采用了一种主动利用拉伸应变的新颖策略，成功诱导了 BFO 材料发生结构相变，即便是在将其沉积于半导体衬底之上时亦是如此，从而实现了其压电性能的显著提升（图 1②）。这些研究成果有望成为推动无铅压电材料迈向实际应用的重要一步。
该研究成果已于 2026 年 3 月 17 日在线发表于国际学术期刊 《Microsystems & Nanoengineering》。DOI：10.1038/s41378-026-01177-5
<关键要点>
① 采用在电子器件制造领域广泛应用的溅射法，在半导体衬底（硅晶圆）上制备出无铅压电单晶薄膜。
② 借助一种可在同一衬板上同时评估多种薄膜沉积条件的技术（图1①），高效地优化了材料特性。
③ 利用经优化的材料，研制出超小型振动发电装置的原型机，其性能提升了五倍。
图1半导体衬底上的高效材料发现与性能提升
在研究中，研究团队构思了一种改变 BFO 晶体结构的新颖方法，利用应变诱导的结构相变来增强其压电性能，即便是在实际器件制造中广泛采用的硅晶圆衬底上也能实现（图 2，底部）。然而，要实现这一目标，必须克服若干技术障碍。首先，为了诱导应变驱动的结构相变，至关重要的是必须直接在硅晶圆上生长出高质量的 BFO 单晶薄膜。此外，从实际器件应用的视角来看，还面临着一项制约：即必须完全通过“溅射法”来实现这一目标——这是一种在半导体行业中被广泛采用的技术。此外，为了利用热膨胀系数的差异来优化所施加的拉伸应变大小，对生长温度进行精确的控制与优化是必不可少的。然而，BFO 中含有金属铋（Bi），这是一种熔点较低的金属；因此，调整生长温度会带来巨大的挑战，因为温度变化会导致薄膜中的元素因再蒸发效应而发生成分偏离。如果采用传统的研究方法，要找到能够同时满足上述所有条件的最优解，通常需要进行海量的实验，耗费的时间也将是惊人的。
图2：关于通过应变工程增强压电性能，以往研究（上）与新研究（下）之间的差异
为了同时解决这些挑战，研究团队开发了一种专有的薄膜沉积技术，命名为“双轴组合溅射法”。该方法能够在同一块衬底上的两个不同方向上，实现生长温度与元素成分的连续变化。在研究中得以在单次实验中同时探索 25 组不同的工艺条件；不仅如此，通过将评估所需的时间缩短约一半，成功地将确定最优条件所需的总时长大幅压缩至常规所需时间的五十分之一。
这项技术已取得了如下具有突破性的研究成果：
成果 1：实现了世界领先的压电性能
压电系数达到e31,f = -6.0 C/m²（该数值约为传统取向BFO薄膜的1.5倍——系迄今为止全球已报道的最高数值）
全球首次证实了在拉伸应变条件下，由应变诱导结构相变所驱动的性能提升效应。
成果 2：实现高性能MEMS振动能量收集器件
成功研制出一种基于优化后的Mn掺杂BFO（BFMO）薄膜的超紧凑型振动发电器件（MEMS）：
机电耦合系数 K² = 0.5%（是常规(100)取向BFO薄膜的5倍）
品质因数 K²Qm = 2.7（约为常规BFO的3.4倍，展现出与PZT相媲美的高性能）
成果 3：实用宽带发电演示
针对瞬时冲击输入（脉冲激励）响应的评估结果：
在重量仅为传统宽带振荡器（BFO）一半的情况下，实现了与之相当的输出电压。
将输出衰减时间缩短至约三分之一（1.2秒，而对比值为3.4秒）。
证实了其具备适用于利用宽带环境振动进行发电的特性。
在该研究中，研究团队成功展示了如何在硅晶圆上制备高性能压电单晶薄膜，且仅采用了半导体制造领域广泛应用的溅射法，并证实了其作为实际MEMS器件的功能性。研究发现，通过对材料晶体结构进行精细调控，能够显著提升其性能；这项研究有望为环保型无铅材料的实际应用铺平道路。
原文链接：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20260317/index.html