超声成像在眼科、心脏、肝脏等临床检查中应用广泛，而高性能超声换能器长期依赖含铅压电材料。近年来，无铅压电材料的研究持续推进，但如何在无铅体系中同时获得良好的机电耦合性能和器件灵敏度，仍是一个需要解决的问题。近日，西安电子科技大学董广志团队在《Journal of Advanced Ceramics》发表研究论文。他们通过B位Fe³⁺受主掺杂调控BNKBT无铅压电陶瓷，在相结构演变与缺陷钉扎之间取得平衡，优化组分实现了d₃₃ = 180 pC/N、kₜ = 0.42的机电性能，并进一步制备了10 MHz超声换能器，完成了从材料性能优化到实际超声成像的完整验证。
超声成像因具有实时、无创和安全等优势，广泛应用于临床诊断。压电材料作为超声换能器中实现电能—机械能—声能双向转换的核心功能单元，其介电、压电及机电耦合性能直接决定器件的灵敏度、带宽和成像质量。目前高性能换能器仍主要依赖PZT等铅基压电材料，但铅元素的环境与健康风险推动了无铅压电材料和绿色超声器件的研究。
Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃（BNT）基陶瓷具有较低的介电常数和声阻抗，被认为是有潜力的无铅超声换能器候选体系，但纯BNT存在矫顽场高、压电响应较低等问题。研究团队前期通过BKT和BT多组元固溶，在BNT基体系中构建了接近准同型相界（MPB）的0.84BNT-0.133BKT-0.027BT（BNKBT）组分，并制备了10 MHz无铅超声换能器。在此基础上，如何进一步提升其机电耦合能力，并证明材料端的性能提升能够真正转化为器件端的灵敏度和成像优势，是本研究关注的核心问题。
研究团队选择Fe³⁺作为B位受主掺杂离子，构建了(Bi₀.₄₈₇Na₀.₄₂K₀.₀₆₇Ba₀.₀₂₇)(Ti₁₋ₓFeₓ)O₃体系，系统考察了Fe含量对相结构、局域畴响应、铁电/应变行为以及压电和机电耦合性能的影响。
XRD及Rietveld精修结果表明，Fe³⁺掺杂后BNKBT陶瓷均保持纯钙钛矿结构，可由R3c/P4bm两相共存模型较好描述。随着Fe含量增加，体系整体呈现由R3c占优向P4bm占优演变的趋势。PFM结果进一步表明，适量Fe掺杂能够明显改善局域畴构型及极化翻转响应，其中BNKBT-Fe(0.01)具有更加清晰的畴结构和稳定的极化翻转区域。
研究指出，适量Fe掺杂在R3c/P4bm相结构调整与氧空位相关缺陷钉扎之间形成了有利平衡，使材料在保持较高压电活性的同时获得了良好的厚度振动耦合特性。
通过上述掺杂调控策略，研究取得了以下主要结果：
材料性能方面：优化组分BNKBT-Fe(0.01)表现出较为饱和的P-E回线，剩余极化强度Pr和最大极化强度Pmax分别达到33和42 μC/cm²；压电常数d₃₃提升至180 pC/N，厚度机电耦合系数kₜ提高至0.42，而径向耦合系数kp变化相对较小，使kₜ/kp达到最大值3.22，表明该组分具有更加突出的厚度振动耦合特征。
器件验证方面：基于综合性能最优的BNKBT-Fe(0.01)陶瓷，研究团队设计并制备了10 MHz超声换能器。平面换能器实测中心频率约为10.7 MHz，-6 dB带宽达到54%。在采用相同电匹配、声匹配及器件结构的条件下，与未掺杂BNKBT-Fe(0)换能器相比，BNKBT-Fe(0.01)换能器的插入损耗|IL|由23 dB降低至16 dB，直接证明了Fe掺杂带来的机电性能提升可以有效转化为器件换能灵敏度和能量转换效率的改善。
进一步引入环氧树脂声学透镜后，聚焦换能器的中心频率达到10.72 MHz，峰峰值回波电压Vpp达到2168 mV。
成像验证方面：采用钨丝靶评价换能器的空间分辨能力，平面换能器的轴向和横向分辨率分别为146 μm和2834 μm；引入声学聚焦后，轴向分辨率为182 μm，横向分辨率显著提升至264 μm。在实际成像测试中，BNKBT-Fe(0.01)换能器能够清晰分辨猪眼前节中的角膜、前房、虹膜及睫状体和晶状体等典型结构，同时在纪念币C-mode扫描中能够较好呈现“YES”“NO”字符及周围浮雕边界。
该工作通过B位Fe³⁺受主掺杂调控BNKBT无铅压电陶瓷，在相结构演变与缺陷钉扎之间获得有利平衡，实现了材料机电性能的有效提升。更重要的是，研究通过“同结构、同匹配条件”的平面换能器对比，直接建立了材料性能与器件性能之间的联系；在此基础上，进一步引入声学透镜进行器件级聚焦优化，完成了猪眼B-mode和纪念币C-mode成像验证，形成了“材料调控—器件构筑—实际成像”的完整验证链条。
这一结果表明，该无铅压电陶瓷能够实现从材料机电性能优化到高频超声换能和实际成像应用的有效贯通，为环境友好型高频医学超声及精细无损检测提供了一种可行的材料方案。