电子陶瓷材料是支撑现代电子信息、智能制造与能源技术发展的重要基础材料，在高端装备、先进传感和新型储能等领域发挥着关键作用。其中，铁电/压电陶瓷因具备优异的机电耦合特性，被广泛应用于精密驱动器、位移传感器和智能执行器；反铁电储能陶瓷则凭借高功率密度、快速充放电能力及良好的循环稳定性，在脉冲功率电子器件和小型化储能系统中展现出重要应用潜力。当前，随着相关器件不断向高精度、低功耗、高可靠性及复杂工况适应方向发展，如何同时实现大电致应变、低能量损耗与长期稳定运行，已成为功能电子陶瓷领域的重要研究方向。
近日，西安交通大学电子科学与工程学院靳立教授团队围绕高性能电子陶瓷材料开展系列研究，在材料结构设计、缺陷调控及畴结构演化机制等方面取得新进展，并在国际著名材料科学期刊Acta Materialia连续发表两篇研究论文。两项成果分别针对 BNBT 基无铅铁电陶瓷的超高电致应变与低滞回协同调控，以及 PbZrO基反铁电陶瓷低电场高效储能机制展开研究，为新型高性能驱动材料和低场储能材料的开发提供了新的研究思路。
两篇Acta Materialia论文文章主页
NBT 基无铅陶瓷中相界工程与缺陷调控协同提升电致应变性能示意图。(a) ZN共掺杂对局部晶格结构的影响。(b) 缺陷浓度如何影响畴切换行为的示意图。
在第一项研究中，针对无铅铁电陶瓷普遍存在的应变滞回大、驱动电场高以及温度稳定性不足等问题，研究团队提出了“相界工程-缺陷调控协同”的材料设计思路。团队通过在 Ti 位引入 Zr–Nb–空位共掺杂，构建 BNBT-xZN 陶瓷体系，实现了晶体相结构与缺陷浓度的协同优化。研究发现，当x = 0.01时，材料中菱方相R3c与四方相P4bm的比例分别达到51.6%和48.4%，形成了较为稳定的双相共存结构。基于这一结构特征，材料获得了高达0.70%的单极电致应变和1168 pm/V的大信号压电系数，同时在30–150 °C范围内保持良好的热稳定性，应变滞回降低至8%。进一步研究表明，适度的缺陷浓度能够有效减弱畴壁钉扎效应，而双相界面的存在则为极化翻转和畴壁运动提供了更低的能量势垒，从而促进可逆畴切换，实现宏观电致应变性能的显著提升。
在第二项工作中，研究团队针对反铁电储能陶瓷通常依赖高外加电场的问题，提出了“反铁电畴结构调制”策略。通过将 Bi(Zn2/3Nb1/3)O3 引入 Pb0.97La0.02Zr0.65Sn0.35O3 基体，构建 PLZS-xBZN 反铁电陶瓷体系，在降低反铁电-铁电相变电场的同时保持较高极化强度，并有效减小相变过程中的电滞损耗。优化组分 0.84PLZS-0.16BZN 在 200 kV/cm 的较低电场下实现了 30.4 μC/cm2 的储能强度、6.08 J/cm3 的可恢复储能密度和 87.22% 的储能效率，并在频率和循环测试中表现出良好稳定性，显示出面向低压储能器件和小型化高功率电容器应用的潜力。
在另一项研究中，团队聚焦于反铁电储能陶瓷通常需要高外加电场驱动的问题，提出了“反铁电畴结构调控”策略。研究人员通过在Pb0.97La0.02Zr0.65Sn0.35O3基体中引入Bi(Zn2/3Nb1/3)O3，构建了PLZS-xBZN反铁电陶瓷体系。该设计在降低反铁电-铁电相变电场的同时，保持了较高的极化强度，并有效抑制了相变过程中的能量损耗。结果显示，优化组分0.84PLZS-0.16BZN在仅200 kV/cm的较低电场下，便实现了30.4 μC/cm2的储能强度、6.08 J/cm3的可恢复储能密度以及87.22%的储能效率，并在频率与循环测试中表现出优异稳定性，展现出其在低压储能器件和小型化高功率电容器中的应用潜力。
两项研究虽然分别面向驱动与储能两个不同方向，但均体现出高性能电子陶瓷设计中的核心理念，即通过调控局域结构、相界状态、缺陷浓度以及畴结构演化行为，实现材料宏观电学与机电性能的协同优化。其中，BNBT 基无铅铁电陶瓷研究侧重于构建兼具高应变、低滞回和优异热稳定性的绿色驱动材料；PLZS-BZN 反铁电陶瓷研究则着眼于低工作电场下高效储能性能的提升，为新型低场储能器件的发展提供了新的材料设计思路。
反铁电畴结构调制提升低场储能性能的机制示意图。a-c) 不同反铁电畴结构的极化构型及其对应的 P–E 回线；d) 不同畴调制状态下储能强度随外加电场变化的关系。
上述两项研究成果分别以Coupled phase-boundary engineering and defect control for ultrahigh electrostrain with low hysteresis in lead-free BNBT-based ceramics和Antiferroelectric domain modulation enables high-efficiency energy storage under low electric fields为题，发表于国际材料学期刊Acta Materialia。其中，第一篇论文由靳立、景瑞轶和刘岗共同担任通讯作者，聂欣茹为第一作者；第二篇论文由靳立、柯小琴和刘岗共同担任通讯作者，陈福康为第一作者。西安交通大学为两项成果的主要完成单位。相关研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及陕西省重点研发计划等项目的支持。
此前，该系列成果已发表于Nature Communications和Acta Materialia等国际知名期刊；后续系列论文还将陆续发表于Advanced Materials和Advanced Functional Materials等国际著名学术期刊。团队希望通过这一系列高水平研究成果，以科技创新的特殊形式为学校130周年校庆献礼。
