近日，西安交通大学李飞教授，李景雷教授，杨帅助理教授，Haijun Wu和香港城市大学张树君教授等人利用织构化陶瓷的成分可调性，并采用机器学习方法，所制备的钐（Sm）掺杂Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Sc1/2Nb1/2O3-PbTiO3织构化陶瓷表现出1720 pC/N的超高压电系数（d33）和250°C的居里温度，与当前最先进的单晶压电陶瓷材料相当。利用这些织构化陶瓷，研究者们制造了一种压电加速度计，该器件不仅比单晶对应物具有更高的灵敏度，而且可靠性显著更优。
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图1：基于PIN-PSN-PT的固溶体中机器学习预测的性质
01 传统钛酸铅铁电材料
钛酸铅铁电陶瓷是已知压电材料中压电电荷或应变系数（d33）和机电耦合系数（k33）最高的材料之一，能够用作各种压电器件的关键组件，包括医学超声成像和治疗换能器、用于精密控制的压电致动器以及用于集成电路（IC）芯片冷却的压电风扇等。
在现代高精密设备的应用中，例如医疗诊断、半导体设备应用等，需要更高的分辨率、更深的穿透深度、更低功耗下实现更大的振动幅度、更高精度和更大工作位移，因此对压电材料提出了更高的要求，需要拥有更高的d33和k33值。
02 织构化压电陶瓷材料
有择优晶粒取向的织构化压电陶瓷，能够利用晶体各向异性将压电活性提升到高于随机取向陶瓷的水平，结合“软”掺杂、准同型相界（MPB）设计以及局部结构异质性的构建，能够进一步提升压电性能。
与PT基单晶对应物不同，织构化陶瓷可通过固相反应制备，规避了液相晶体生长固有的成分偏析和性能不均匀性问题，同时还能实现低成本、大尺寸和共形压电元件。然而，经过二十多年的努力，PT基织构化陶瓷的压电性能仍远低于其理论潜力。
图2：1.5 mol% Sm掺杂的0.19PIN–0.43PSN–0.38PT织构化陶瓷的微观结构
例如，在经典的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.30PbTiO3（PMN-PT）体系中，织构化陶瓷报道的最高d33约为1300 pC N-1，仅为相同组成单晶数值（2000–2500 pC N-1）的50%至60%。这一持续存在的差距源于织构化陶瓷的固有微观结构特征，包括低压电性能的晶界、不完全的晶粒取向以及晶界对畴尺寸的限制。许多难以结晶的固溶体体系既表现出大的压电响应，又具有250°至350°C之间的高居里温度（向顺电相的转变），并可制成织构化陶瓷。
它们的高相变温度为结构改性提供了充足的机会，并为增强相应织构化陶瓷的压电性开辟了宽广的窗口。然而，与晶粒取向随机分布的传统压电陶瓷不同，织构化陶瓷的最终质量对工艺参数更为敏感，包括模板含量、尺寸和组成，烧结气氛，烧结温度，以及粉末粒径。因此，工艺优化仍然耗时，传统的试错法不适合筛选织构化陶瓷的广阔成分空间。
作者选择PIN-PSN-PT固溶体作为基础体系进行深入研究，它的菱方-四方相变温度约为200°C，并使用机器学习加速成分和掺杂剂的筛选，以开发压电性能与PT基单晶相当、并在关键方面超越的织构化陶瓷。
图3：掺钐的0.19PIN-0.43PSN-0.38PT（1.5Sm-PIN-PSN-PT）织构化陶瓷的电机械性能
图4：Sm掺杂的0.19PIN–0.43PSN–0.38PT织构化陶瓷中超高压电性能起源的分析
图5：基于PZT5H陶瓷、PIN- PMN -PT单晶及1.5Sm-PIN-PSN-PT织构化陶瓷的悬臂式矢量加速度计的设计与性能研究
研究团队利用织构化压电陶瓷对成分和掺杂剂设计的高容忍度，突破了数十年来压电性能的上限。机器学习的运用在高效导航PIN-PSN-PT体系复杂成分空间中发挥了关键作用，使研究能够识别出同时实现高压电性和最优掺杂元素（1.5 mol% Sm）和组成（0.19PIN-0.43PSN-0.38PT）。
其超高压电性能，加之与单晶相比的优异机械性能和成本效益，使Sm掺杂PIN-PSN-PT织构化陶瓷成为先进机电应用中颇具前景的材料，特别是在高性能、高可靠性和可接受成本必须共存的3C领域的压电器件中。
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